La Catedral de la Transfiguración es la construcción más grande del conjunto del Kremlin. Fue construida entre 1713 y 1716 en el lugar de una catedral del siglo XV, erigida bajo el príncipe Andrei el Grande. En los libros de registros de Uglich se conserva su descripción: «Catedral en altas galerías con una cúpula, cubierta con tejas en las esquinas, y la cúpula en arcos de madera cubierta con escamas de madera. En la iglesia desde hace tiempo había escritura mural, y en la galería había un campanario de madera con reloj de campana».

La Catedral de la Transfiguración combina características de la arquitectura de principios del siglo XVIII, uniendo las tradiciones de la antigua arquitectura rusa con nuevas técnicas. En su composición domina un masivo cubo central con cinco cúpulas. Las fachadas están adornadas con elementos decorativos, como los marcos con «sándwiches» desgarrados, característicos del barroco ruso. La estructura de la catedral refleja los logros de la construcción del siglo XVIII, cuando se construían principalmente iglesias sin columnas. Impresionan las dimensiones del volumen central, donde el vano de catorce metros está cubierto por una ligera bóveda de diecisiete metros de altura sin columnas de soporte. Esta solución ingenieril coloca a la catedral entre las mejores construcciones de la arquitectura rusa de la época. La ausencia de pilares de soporte permitió abrir al máximo el espacio interior del templo, lo que facilitó la colocación de grandes composiciones pictóricas. La catedral fue pintada entre 1810 y 1811 por un grupo de maestros siervos bajo la dirección de Timofei Medvedev del pueblo de Teikovo. La pintura se distingue por un alto nivel de maestría artesanal, más de cincuenta composiciones se realizaron según modelos del Renacimiento tardío y del barroco. La frescura «Transfiguración» con la imagen de la curación del endemoniado es una copia de una pintura de Rafael, pero el artista provincial exageró el trabajo del maestro, añadiendo una patética exterior y dinamismo. Los colores contrastantes crean una sensación de desarmonía, y los elementos decorativos, como las columnatas y los cartuchos tallados, intensifican la ilusión de espacio y perspectiva.

El grandioso iconostasio de varios niveles de la catedral fue instalado en 1860 y varía las formas del «barroco naryshkin», aunque su plástica es seca. Las columnas, trenzadas con sarmientos, y los cornisas enmarcan los íconos, los más antiguos de los cuales se encuentran en los niveles inferiores. El ícono «Protección de la Madre de Dios» es un ejemplo de la escuela de Yaroslavl del siglo XVII. Los íconos de la festividad probablemente fueron pintados a principios del siglo XVIII al mismo tiempo que se construía la catedral. Los íconos de Cristo y de la Madre de Dios en la fila local recuerdan las obras del barroco ucraniano del siglo XVII. Llegaron a la catedral a finales de los siglos XVII y XVIII, cuando la sede de la diócesis de Rostov estaba encabezada por los metropolitas Josafat y Dmitri. Junto a la catedral se eleva un campanario de treinta y cinco metros, construido en 1730, un año y medio después de la catedral. La demora en la construcción podría estar relacionada con el decreto de Pedro I de 1714, que prohibía la construcción de edificios de piedra en la provincia. El campanario pertenece al tipo de campanarios de varios niveles, y en Uglich se ha conservado otro campanario similar cerca de la iglesia de Korsun. En el interior del campanario del Kremlin se ha conservado el mecanismo del reloj de torre con campana, un raro monumento del arte de los relojeros del siglo XVIII. Hoy es un objeto de museo. Los maestros contemporáneos de la fábrica de relojes de Uglich han instalado en el campanario un reloj electrónico con campana, y ahora sobre la ciudad resuena nuevamente el melodioso repique, simbolizando la continuidad y el desarrollo de las tradiciones.