Преображенская церковь, построенная из камня в 1682 году и освящённая в 1684 году, была возведена благодаря усилиям изюмских полковников Константина Донца и Фёдора Шидловского. Храм выполнен в византийском стиле и имеет пять куполов, которые опираются на высокие тумбы. В 1765 году был установлен величественный иконостас, украшенный золотом и резьбой. В период с 1846 по 1866 годы церковь была расширена на средства жертвователей. В то время в храме было четыре престола: главный в честь Преображения Господня, второй, Святого Великомученика Дмитрия Солунского, третий, Святого пророка Илии и четвёртый, Святой Анны.

В середине XIX века под отдельной колокольней был построен тёплый храм в честь Тихвинской иконы Божьей Матери. Это было выражением благодарности жителей Изюма за избавление от холеры в 1831 году. В строительстве часовни активно участвовали поручик Даниил Ефимович Зозуля, собравший 7 тысяч рублей серебром, купец Яков Иванович Дехтярёв, пожертвовавший около 700 рублей, и помещик Фёдор Николаевич Дурнов, пожертвовавший до 628 рублей. Тихвинский храм называли «тёплым» или «полковым». Помимо Зозули, пожертвования делали и другие офицеры и солдаты гусарского полка.

Тихвинский храм отличался от традиционных церковных построек и выглядел как четырёхъярусная башня. На его куполе вместо креста был установлен длинный штиль с двуглавым российским орлом. В храме хранились знамёна Изюмского козачьего Слободского полка, участвовавшего в Полтавской битве 1709 года, а также реликвии гвардейского Изюмского гусарского полка, который сражался с французами и первым вошёл в Париж. Эти реликвии позже были распределены по музеям в Полтаве, Ленинграде и Москве.

Преображенский храм считается одним из лучших образцов украинского барокко. Среди церковной утвари были дары от Петра I, такие как напрестольное Евангелие 1707 года и священная риза. По преданию, царь прислал эти дары после своего визита в Изюм в 1709 году перед Полтавской битвой. В храме также хранились турецкие значки, привезённые Яковом Федоровичем Долгоруковым после завоевания Азова, напоминая об участии Изюма в Азовской войне.

25 сентября 1825 года в Преображенском храме молился Александр I, а 5 января 1826 года здесь прошли моления о его упокоении. До 1917 года собор был величественным и знаменитым, но в период гонений на веру пострадали многие храмы, включая Преображенский собор. В 1930-х годах богослужения прекратились, а в 1938 году была разрушена часовня Тихвинской иконы. Собор был осквернён и использовался как склад. В 1941 году при отступлении советских войск колокольню взорвали.

В 1962 году было принято решение о восстановлении храма в его первоначальном виде. Строительные работы длились около 30 лет, и храм был восстановлен в том виде, в каком был построен в 1682 году. Преображенский храм был возвращён Украинской Православной Церкви и освящён 8 октября 1991 года. По благословению митрополита Никодима, в храме возобновились богослужения, и он начал возрождаться.