Идея строительства храма возникла в 1861 году благодаря купцу П. Татаринову, который пожертвовал 6 тысяч рублей на закладку церкви, состоявшуюся в 1863 году. Однако смерть купца в том же году прервала начатое дело, и его наследники отказались продолжать строительство, передав его женскому монастырю. Дополнительные средства поступили от троицких купцов, таких как И. Васильев и К. Сыромятников.

16 июня 1862 года Святейший Синод разрешил строительство нового монастырского храма для Казанско-Богородицкого монастыря, церкви Преображения Господня. Закладка состоялась 9 июня 1863 года под руководством протоиерея Свято-Троицкого собора Гавриила Аманацкого. Строительство длилось четыре года и финансировалось частными пожертвованиями троичан: купец И. Васильев пожертвовал 10 тысяч рублей, купеческие вдовы Е. Бакакина и Е. Татаринова, 6 и 2,3 тысячи рублей соответственно, а также средства поступили от городского головы В. Пупышева. Летом 1870 года строительство было завершено. Храм стал самым большим сооружением Казанского монастыря и представляет собой классический крестово-купольный стиль. Его архитектурная особенность, устремленность вверх, благодаря чему здание кажется легким и воздушным. На храме установили пять вызолоченных крестов, резной золоченый трехъярусный иконостас, а в куполе изображены четыре парящих ангела. Освещение обеспечивалось медным посеребренным паникадилом и серебряными лампадами, храм был богато украшен 89 иконами. 1 октября 1870 года состоялось его освящение в присутствии графа Берга, флигель-адъютанта Его Императорского Величества. Перед церемонией храму подарили икону Великомученика и Целителя Пантелеймона в золочёной резной раме.

22 июля 1891 года цесаревич Николай, будущий император Николай II, посетил Троицк и монастырский храм Преображения Господня, подарив храму икону святителя Николая Чудотворца, которая хранится там и сегодня.

В первые годы советской власти монастырь продолжал свою деятельность, но в 1922 году его, как и многие церковные учреждения, закрыли. В 1927 году монастырские здания были переданы для культурно-просветительных нужд, и с тех пор их владельцы неоднократно менялись. В довоенное время здесь находились 47-я и 48-я кавалерийские бригады, в годы Великой Отечественной войны, военное летное училище, а в 1947 году здания передали авиационно-техническому училищу. Храм Преображения Господня стал спортзалом, а Казанскую церковь в 1949 году разобрали.

Первый шаг к возрождению обители был сделан в 1991 году, когда руководство авиационно-технического училища обратилось к Церковному совету Димитриевской церкви с просьбой принять храм Преображения Господня на церковный баланс. Монашеская община была воссоздана в 1996 году, и храм Преображения Господня отреставрирован.