Значительное увеличение численности населения в Воткинске, улучшение материального благосостояния жителей и укрепление православных традиций привели к необходимости строительства четвертого кладбищенского храма. Этот храм стал самым крупным и круглогодично действующим, так как был отапливаемым.

Новая Спасо-Преображенская церковь была построена на пожертвования рабочих под контролем специального строительного комитета, состоящего из рабочих и чиновников. Председателем комитета был священник Картерий Николаевич Катаев из Благовещенского собора, родственник писателя В.П. Катаева. Он окончил духовную семинарию в 1803 году, служил в Ижевске, а с 1888 года в Воткинске. Его вклад в строительство храма был значительным. В комитет также входили священник Иоанн Левицкий, горный инженер Москвин и представители купечества и мастеровых.

Закладка здания состоялась 6 августа 1897 года, еще до утверждения проекта. 13 октября 1897 года протоиерей Михаил Утробин обратился к епископу Никодиму с просьбой благословить план на строительство новой церкви вместо старой. Проект был переработан архитектором И.А. Чарушиным, который использовал в качестве основы проект перестройки третьей Преображенской церкви от 1895 года.

Несмотря на занятость в Вятской губернии, Чарушин несколько раз посещал Воткинск, уделяя внимание строительству храма. В акте осмотра от 17 декабря 1899 года он отметил некоторые отклонения от плана, но счел их несущественными для красоты здания.

При строительстве использовались материалы от предыдущего здания, а камень для пола и лестниц доставлялся из Кунгура. Кладка велась из красного кирпича по типу "польской верстовой готической кладки", и храм до сих пор считается образцом высокого качества строительных работ.

Освящение новой церкви состоялось 10 сентября 1900 года. Хотя ее иногда называли "старой" перестроенной церковью, архитектурно она была совершенно новой и превосходила предыдущие храмы.

В 1991-1996 годах по проекту Н.Л. Звирздыня было построено двухэтажное здание с крестильной церковью, воскресной школой и другими помещениями, гармонирующее с архитектурным ансамблем.

Храм представляет собой памятник русско-византийского стиля, выполненный в виде вытянутого креста. Архитектурное решение учитывало перепад высот на склоне холма, что потребовало создания высокого крыльца и подклета.

Этот храм относится к первой группе "купольных" храмов Чарушина, служащих переходом от византийского к русскому стилю. В отличие от других храмов, барабан в Воткинске уже купола, что создает уникальный архитектурный прием.

Колокольни храмов этой группы всегда имели шатровые завершения, контрастирующие с куполом, но увенчанные луковичной главкой, что смягчает контраст. Это создает особое очарование воткинской церкви.

Чарушин был не только архитектором, но и своего рода миссионером, тщательно выбирая место для храма и контролируя качество работ. Храм стал гармоничным ансамблем различных видов искусства.

Трехъярусный резной иконостас храма отличается мощными очертаниями арок, напоминающими барокко. Живопись иконостаса добротна и академична. В советские годы иконостас не сильно пострадал, но драгоценности были изъяты в 1922 году.

В 1952-1953 годах были выполнены настенные росписи, придавшие цельность интерьеру церкви. Среди святынь храма, икона "Георгий Победоносец", с которой, по преданию, в 1759 году закладывался Воткинский завод. Она перешла в храм после закрытия Благовещенского собора в 1929 году.