Церковь Преображения является ярким образцом культового зодчества в стиле позднего барокко. Этот двухэтажный каменный храм был построен в 1787-1791 годах на месте Ильинской церкви, которая сильно пострадала от пожара в Нерехте в 1785 году. После этого было решено разобрать старую церковь и возвести новую. В результате спрямления улиц на месте строительства образовалась треугольная площадь, в центре которой и планировалось построить новый храм. Понимая важность этого сооружения для города, городской магистрат и духовное руководство обратились к Большесольской ратуше с просьбой прислать в Нерехту известного зодчего С.А. Воротилова. Весной 1787 года Воротилов разработал проект и приступил к строительству церкви Преображения.

Как и Воскресенская церковь, она имеет два этажа. На первом этаже расположены два престола: в честь пророка Илии и Успения Богородицы, а верхний храм освящён в честь Преображения. Здание овальной формы с небольшими ризалитами, стройной колокольней на западе и световой ротондой в центре напоминает столичные постройки. Фасады оформлены в стиле позднего барокко, с углублёнными в нишах оконными и дверными проёмами, украшенными профилированными карнизами и замковыми камнями. В отличие от предыдущих работ Воротилова, в этой церкви не прослеживается традиционное деление на трапезную, притвор и центр храма, хотя алтарь традиционно расположен на востоке. С запада на уровне первого этажа находятся два входа: в нижний храм и на белокаменную лестницу, ведущую в верхний храм. Здесь же расположена винтовая лестница на колокольню с выходом на второй этаж. Интерьер зимнего храма с невысокими сводами создаёт ощущение уюта, а верхний храм наполнен воздухом и светом благодаря высоким сводам и окнам. Особую праздничность верхнему храму придавали росписи стен и иконостас, который был утерян. Росписи, в основном сохранившиеся под поздними побелками, были частично отреставрированы в 1990-х и начале 2000-х годов. Они выполнены в стиле позднего классицизма, характерного для 1840-х годов, и включают композиции "Жертвоприношение Иакова" и "Моление о чаше".

В 1898 году территория церкви была ограждена забором с воротами. В советское время были разобраны завершение храма и верхний ярус колокольни, а также снесена ограда. В 1988-1991 годах церковь была отреставрирована, а ограда воссоздана по проекту архитектора С.В. Демидова. Кирпичные стены здания оштукатурены и окрашены в два цвета с выделением декора побелкой. Сегодня церковь является действующей.