La cathédrale de la Transfiguration est le plus grand bâtiment de l'ensemble du Kremlin. Elle a été construite entre 1713 et 1716 à l'emplacement d'une cathédrale du XVe siècle, érigée sous le prince André le Grand. Dans les livres de cadastre d'Uglich, sa description a été conservée : « Cathédrale sur de hautes terrasses avec une seule coupole, couverte de tuiles, et la coupole sur des arcs en bois est recouverte d'écailles en bois. Dans l'église, il y avait depuis longtemps une écriture murale, et sur la terrasse se trouvait un clocher à lanternes en bois avec des horloges sonnant. »

La cathédrale de la Transfiguration combine des éléments de l'architecture du début du XVIIIe siècle, unissant les traditions de l'architecture russe ancienne avec de nouvelles techniques. Sa composition est dominée par un massif cube central avec cinq coupoles. Les façades sont ornées d'éléments décoratifs, tels que des encadrements avec des « frontons déchirés », caractéristiques du baroque russe. La structure de la cathédrale reflète les avancées de la construction du XVIIIe siècle, lorsque des églises principalement sans colonnes étaient érigées. Les dimensions du volume central impressionnent, où la travée de quatorze mètres est recouverte d'une légère voûte de dix-sept mètres de haut sans colonnes de soutien. Cette solution d'ingénierie place la cathédrale parmi les meilleures réalisations de l'architecture russe de l'époque. L'absence de piliers de soutien a permis de maximiser l'espace intérieur du temple, facilitant l'installation de grandes compositions picturales. La cathédrale a été peinte entre 1810 et 1811 par une coopérative de maîtres serfs sous la direction de Timofeï Medvedev du village de Teïkovo. La peinture se distingue par un haut niveau de maîtrise artisanale, plus de cinquante compositions étant réalisées d'après des modèles de la fin de la Renaissance et du baroque. La fresque « Transfiguration » représentant la guérison d'un possédé est une copie d'une œuvre de Raphaël, mais l'artiste provincial a exagéré le travail du maître, ajoutant une pathétique extérieure et une dynamique. Les couleurs contrastées créent une impression de disharmonie, et les éléments décoratifs, tels que les colonnades et les cartouches sculptés, renforcent l'illusion d'espace et de perspective.

Le grand iconostase à plusieurs niveaux de la cathédrale a été installé en 1860 et varie les formes du « baroque Narychkine », bien que sa plastique soit sèche. Les colonnes, enroulées de vignes, et les corniches encadrent les icônes, les plus anciennes se trouvant dans les niveaux inférieurs. L'icône « Protection de la Mère de Dieu » est un exemple de l'école de Yaroslavl du XVIIe siècle. Les icônes de la fête ont probablement été peintes au début du XVIIIe siècle en même temps que la construction de la cathédrale. Les icônes du Sauveur et de la Mère de Dieu dans le rang local rappellent les œuvres du baroque ukrainien du XVIIe siècle. Elles sont arrivées à la cathédrale à la charnière des XVIIe et XVIIIe siècles, lorsque le diocèse de Rostov était dirigé par les métropolites Iosaf et Dmitri. À côté de la cathédrale se dresse un clocher de trente-cinq mètres, construit en 1730, un an et demi après la cathédrale. Le retard de construction pourrait être lié au décret de Pierre Ier de 1714 interdisant la construction de bâtiments en pierre dans la province. Le clocher appartient au type à étages, et à Uglich, un autre clocher similaire a été conservé près de l'église de Korsun. À l'intérieur du clocher du Kremlin, le mécanisme de l'horloge à tour avec sonnerie a été conservé, un rare monument de l'art horloger du XVIIIe siècle. Aujourd'hui, il est un objet de musée. Des maîtres modernes de l'usine d'horlogerie d'Uglich ont installé des horloges électroniques avec sonnerie sur le clocher, et maintenant, une mélodieuse sonnerie résonne à nouveau sur la ville, symbolisant la continuité et le développement des traditions.