La historia del templo principal de Tambov comienza con la construcción del Kremlin de Tambov en 1636. En 1677, la iglesia principal de la ciudad fue transformada en catedral. Con la apertura de la diócesis en 1682, la catedral de la Transfiguración se convirtió en catedral. La construcción de la catedral de piedra fue concebida y comenzada por el segundo obispo de Tambov, Pitirim. A pesar de la masividad y el grosor de tres arshins de las paredes, los trabajos avanzaron rápidamente, utilizando los mejores materiales. Inicialmente se planeó un templo de una planta, pero después de la construcción de las paredes, el obispo Pitirim decidió hacerlo de dos plantas. En la parte inferior se abrieron ventanas, se construyeron arcos sobre el altar y se instalaron escaleras al piso superior. El obispo no pudo completar la construcción y fue enterrado junto a la pared sur en la capilla de San Nicolás. Después de 18 años, la superestructura y el campanario estaban en mal estado. En 1783, el comerciante Matvey Borodin se encargó de completar la catedral, planeando decorar la iglesia superior e instalar un iconostasio de tres niveles. Sin embargo, debido a dificultades financieras, sus planes cambiaron. En 1801, otro benefactor, el comerciante Matvey Malin, completó la reparación y la instalación del iconostasio.

A mediados del siglo XIX, el templo se volvió pequeño, por lo que en 1841-1842 se desmantelaron las escaleras a la iglesia superior, que ocupaban una parte significativa del espacio. En el lado oeste, según el plan de S.A. Bereznegovski, se añadió un pórtico de dos pisos con nuevas escaleras. Para entonces, la catedral requería una reparación capital, que comenzó en 1843 y continuó hasta 1849. En la iglesia superior se nivelaron y enyesaron las paredes y arcos, se instalaron capiteles tallados del orden corintio, y las paredes fueron pintadas con motivos del Nuevo y Viejo Testamento. Se reemplazaron los pisos y los marcos de las ventanas. El nuevo iconostasio para la iglesia superior fue fabricado por los mejores maestros de Moscú, decorado con seis íconos pintados por el alumno Mukhanov. En la iglesia inferior se instaló un nuevo iconostasio de madera tallada en estilo rococó, con decoraciones doradas.

En 1811 se fundó el campanario de piedra, consagrado en 1812, lo que tuvo un significado simbólico. Para la década de 1860, el campanario fue enyesado, blanqueado, cubierto de hierro y decorado con estrellas doradas. En 1879 se aprobó el plan de construcción de dos alas junto a la catedral, completando la composición arquitectónica. Las bajas construcciones de una planta subrayaban la grandeza de la catedral. La catedral guardaba las principales reliquias de Tambov, incluyendo la milagrosa icono de la Madre de Dios de Kazán y el Crucifijo del Salvador, pintado por el obispo Pitirim. En el ícono se representa la ciudad con torres de fortaleza, una iglesia y casas, lo que corresponde a la descripción de Tambov en el siglo XVII.

Desde 1918, la catedral estuvo bajo la administración de la comunidad religiosa, pero en 1930 fue cerrada. En 1931, se rellenaron los agujeros en los parques con escombros de la desmantelada campana. En el lugar de una de las alas se construyó una casa estándar. Durante mucho tiempo, el edificio de la antigua catedral albergó un museo local. Ahora la catedral ha sido devuelta a los creyentes.