Главный Никольский храм монастыря стал тесным из-за увеличения числа монахов и прихожан. Поэтому настоятель архимандрит Афанасий вместе с братией обратился к епископу Пермскому и Екатеринбургскому Иустину с просьбой разрешить строительство второго каменного храма. Пермская духовная консистория 3 августа 1821 года дала разрешение на возведение большого каменного храма во имя Преображения Господня с двумя приделами: в честь Благовещения Пресвятой Богородицы и Архистратига Божия Михаила, а также с колокольней. Закладка церкви состоялась 28 августа 1821 года, а 30 августа 1834 года главный Преображенский храм был освящен архиепископом Пермским и Верхотурским Аркадием. Придельные храмы были освящены им же 25 июля 1837 года.

За главным клиросом Преображенского храма, под полом, в специально устроенном склепе, покоится тело архиепископа Пермского и Верхотурского Неофита. В 1869 году над его могилой была установлена железная решетка с четырьмя чугунными столбами и чугунная доска с надписью о времени и месте его кончины. В 1877 году в стене был устроен небольшой киот, где по завещанию Неофита размещены его келейные иконы. Под левым клиросом похоронен настоятель монастыря архимандрит Гавриил.

В Верхотурье 19 января 2015 года в Спасо-Преображенском храме Свято-Николаевского мужского монастыря был освящен уникальный 16-тонный колокол. Идея его отливки принадлежала властям Свердловской области и была поддержана митрополитом Екатеринбургским и Верхотурским Кириллом. Через год колокол впервые зазвучал на территории монастыря. Митрополит отметил, что теперь у региона есть свой "уральский Царь-колокол", который будет звучать как голос православия. В церемонии освящения участвовал губернатор Евгений Куйвашев, который вместе с митрополитом первым ударил в колокол. Этот колокол весит более 16 тонн и входит в двадцатку самых больших в России. В тихую погоду его звук слышен на расстоянии более 10 км. На колоколе изображены шесть ростовых икон: Пресвятой Троицы, святого апостола Андрея Первозванного, святителя Николая Чудотворца, святых Царственных Страстотерпцев, святого мученика Царя Николая II и святого праведного Симеона Верхотурского.