Спасо-Преображенский собор, возведенный в XVI веке, изначально был деревянным и располагался в северо-западной части монастыря на возвышенности. Вокруг алтаря собора находилось монастырское кладбище.

Главный деревянный храм богатого Спасского монастыря задумывался как величественное здание башенного типа с небольшим, но высоким молельным залом. Для этого подходил распространенный в то время тип храма «о двадцати стенах». В основе был четырехугольный сруб, к которому примыкали небольшие помещения для алтаря, ризницы и сеней. Эти помещения покрывались тремя рядами убывающих кокошников и бочечной кровлей. Четырехугольный сруб продолжался восьмиугольным, который в XVI веке покрывался шатровой кровлей, завершающейся луковичной главкой с крестом. Главка и шейка обычно украшались лемехом, фигурно вырезанными осиновыми дощечками. Вход украшался высоким крыльцом с крышей.

Со временем Арзамасский Спасский монастырь развивался и обогащался, заменяя деревянные постройки на каменные. Первым каменным зданием в Арзамасе стал собор Преображения Господня, строительство которого началось в 1638 году при игумене Ионе. Он планировал возвести его в больших размерах и заключил договор с Московским Ново-Спасским монастырем на устройство иконостаса. Однако в том же году Иона был переведен, и его преемник игумен Корнилий уменьшил размеры храма и иконостаса. Собор был завершен и освящен не позже 1643 года.

Преображенский собор был трёхпрестольным. Центральный престол посвящен Преображению Господню. Описание монастыря конца XIX века упоминает два придела: справа, Успения Божией Матери, слева, преподобной Марии Магдалины. В описи 1763 года упоминается придел во имя преподобного Варлаама Хутынского.

После Октябрьской революции 1917 года собор был опечатан. В 1919 году община верующих заключила договор с Арзамасским Совдепом о передаче им двух церквей, включая Преображенский собор. Однако через полтора года власти объявили о ликвидации монастыря и опечатали храмы. После ходатайств в 1921 году общине оставили две церкви, но вскоре собор был отобран. К 1924 году община пользовалась только церковью Рождества Богородицы. Спасский собор использовался как склад, а затем архив.

В 2015 году после передачи собора церкви архив покинул здание.