L'histoire de la principale cathédrale orthodoxe d'Odessa est étroitement liée à celle de la ville elle-même. Dans l'Antiquité, chaque ville commençait par un temple. En s'installant dans un nouvel endroit, les gens élevaient une croix, construisaient une église à cet endroit et célébraient le premier service "pour la fondation de cette ville". Avec le temps, la ville s'est agrandie, de nouvelles églises ont vu le jour, mais le premier temple est resté le principal.

La cathédrale de la Transfiguration, contemporaine d'Odessa, a été témoin de nombreux événements significatifs dans la ville. Le parc de la cathédrale, où se trouve l'édifice, devait, selon les fondateurs, devenir la place principale d'Odessa. La première pierre de la cathédrale a été posée en 1795. Le projet de l'ingénieur V. Vonrezant prévoyait l'achèvement de la construction en 1797, mais celle-ci a été suspendue car Paul Ier, devenu empereur en 1796, a interrompu le financement promis par Catherine II. Après son décès prématuré en 1801, grâce aux efforts d'Osip Deribas, le financement a repris, et sous la direction de l'architecte Franz Frappoli, la construction a été achevée en 1809.

Le 25 mai 1809, l'église a été consacrée et a reçu le nom de Transfiguration. Le frère de Franz, Giovanni Frappoli, a également participé à la construction, créant le projet du clocher de 74 mètres de haut, construit de 1825 à 1837. La grande cloche a été fondue à partir de 28 canons turcs capturés en 1828-1829. La flèche du clocher était visible depuis la mer et était mentionnée dans les cartes maritimes.

Les historiens supposent que Pouchkine et Lermontov pouvaient se rencontrer dans la cathédrale. Le 9 octobre 1828, l'empereur Nicolas Ier a prié dans la cathédrale après avoir été sauvé d'une tempête. En 1837, Odessa est devenue la résidence de l'archevêque de Kherson et de Tauride, et la cathédrale a commencé à être reconstruite. L'architecte D. Heydenreich a construit la partie réfectoire en 1841 et 1848, reliant le clocher et l'ancienne église. En 1854, la cathédrale abritait une croix en cuivre fondue à partir de pièces de monnaie de soldats passant par Odessa en direction de Sébastopol.

Pendant la guerre de Crimée, la ville a été bombardée, mais la cathédrale a résisté. En 1889, Anna Akhmatova y a été baptisée. En 1894, la cathédrale a été rénovée selon le projet de L. Prokopovitch, et entre 1900 et 1903, une reconstruction a été effectuée, modifiant les façades et l'intérieur. Après cela, la cathédrale pouvait accueillir jusqu'à 9 000 personnes.

En 1919, la cathédrale a servi pour les funérailles de l'actrice Vera Kholodnaya. Y ont été enterrés le comte Mikhaïl Vorontsov et son épouse Élisabeth. En 1936, la cathédrale a été détruite, et à sa place, dans les années 1950, un monument à Staline a été érigé.

La restauration de la cathédrale a commencé en 1999. Elle a été recréée dans l'état qu'elle avait après la reconstruction de 1903. Les dimensions du bâtiment sont de 46,6 sur 90,6 mètres, et la hauteur du clocher est de 72 mètres. En 2008, une cloche de 14 tonnes, la plus grande d'Ukraine, a été fondue. En 2010, le patriarche Cyrille a consacré le principal autel, achevant la restauration de la cathédrale. L'iconostase centrale a été peinte par l'artiste Georgy Zhuravsky. En 2005, les restes des Vorontsov ont été réinhumés, et en 2010, la cathédrale restaurée a été consacrée.