Историк-краевед А. П. Никулов считает, что соборная церковь была заложена в 1593 году, когда началось строительство города-крепости Оскол. В XVI веке церковь Преображения Господня была деревянной и находилась в Малом остроге, который позже стал Нижней площадью. Ее местоположение оставалось неизменным на протяжении веков, на территории от современного кинотеатра «Октябрь» до мелового обрыва над рекой Оскол.

Известно, что в 1596 году к собору были пристроены приделы, но в 1616 году церковь сгорела. Новый пожар произошел 14 июня 1628 года от вновь построенной церкви в честь Рождества Пресвятой Богородицы. В 1629 году церковь была восстановлена с приделом во имя Архистратига Михаила. С 1633 по 1635 год она оставалась пустой, так как, по источникам, «попа Курдюма убили татары, а дьяка не было».

Исследования А. П. Никулова показывают, что в первой половине XVII века, вероятно, была построена новая церковь. В 1715 году она сгорела и была восстановлена в следующем году на прежнем месте, напротив западных проезжих ворот крепости. Строительство кирпичной церкви, вероятно, началось одновременно с Успенской и Троицкой церквами и завершилось к 1767 году. Главный престол, возможно, освятили позднее, так как действовала другая деревянная церковь во имя Гурия, Самсона и Авива. Каменный храм находился почти в центре крепости и просуществовал без изменений до 1840 года.

Благодаря усилиям купца Алексея Ивановича Иванова строительство было завершено к 1840 году. 15 августа того же года храм был освящен епископом Курским и Белгородским Ювеналием (Половцевым) с главным престолом во имя Богоявления Господня. Правый престол освятили в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение», а левый, во имя Рождества Пресвятой Богородицы. Храм, построенный в 1840 году, отличался красивой архитектурой, стены были отделаны под мрамор, а иконостасы позолочены. Его длина составляла около 43 метров, ширина более 34 метров, а высота, 37 метров.

Вокруг церкви был устроен сад стараниями церковного старосты Михаила Александровича Иванова на земле, пожертвованной купцом Стефаном Матвеевичем Кобозевым.

В 1888 году священник Соборной церкви А. И. Положинцев организовал религиозно-нравственные чтения, а затем общество помощи бедным открыло «публичные народные чтения» книг. В 1892 году общество открыло воскресную школу для взрослых неграмотных, которую посещали более ста человек. При соборе действовала четырехклассная церковно-приходская школа, выпускники которой могли продолжить обучение в Высшем начальном училище и реальном училище.

В 1913 году при Богоявленском соборе было создано общество трезвости во имя святого мученика Вонифатия.

В 1923 году, согласно Декрету «Об отделении церкви от государства», здание соборной церкви и все ее имущество были переданы в бесплатное арендное пользование религиозной общине. В декабре 1929 года была образована Старооскольская кафедра, первым епископом которой стал владыка Онуфрий (Гагалюк).

К началу 1930-х годов власти запретили звонить в колокола и начали их изъятие. За первые три десятилетия Советской власти Нижняя (Торговая) площадь изменилась до неузнаваемости. Главная улица Старого Оскола, Курская, в 1918 году была переименована в Интернациональную, а в 1960 году получила имя Ленина. Собор исчез с площади, а на его месте вырос парк имени А. М. Горького. В этом парке возвышался памятник В. И. Ленину, указывавший рукой на север. Кирпичи от разрушенных храмов использовали для укрепления мостовой.