Первая каменная церковь Преображения Господня была возведена на главной площади слободы Бутурлиновка в 1809 году. В 1886 году, по инициативе местного предпринимателя В. М. Кащенко, началось строительство нового храма на месте старой церкви. После его смерти работу продолжили его сыновья, а финансирование осуществлялось за счет прихожан. Проект храма был разработан в 1885 году архитектором В. В. Стайновским при участии Д. В. Знобишина и С. Л. Мысловского. Спасо-Преображенский храм был построен и освящен в 1893 году архиепископом Воронежским и Задонским Анастасием (Добрадином). В алтаре сохранилась мраморная закладная доска с текстом, указывающим на начало строительства в 1886 году по плану Стайновского, утвержденному архиепископом Серафимом, и перечисляющим имена священников и церковного старосты.

В строительстве храма активно участвовали крестьяне слободы Бутурлиновка, такие как Федор Иванович Шевцов, Федор Михайлович Головчанов и Алексей Иванович Момров. Храм был построен на средства прихожан, а иконостас и киоты были устроены на пожертвования сыновей Василия Михайловича Кащенко: Алексея, Александра и Ивана. Храм был завершен и освящен в 1893 году при епископе Анастасии, священниках о. Семионе Михайловиче Чернышове и о. Иоанне Алексеевиче Игнатове, а также церковном старосте Алексее Васильевиче Кащенко.

В церкви было три престола: Преображения Господня, святителя Николая и святителя Димитрия Ростовского. В 1909 году в трапезной части храма был освящен еще один придел в честь преподобного Василия Парийского. Внутреннее убранство храма поражало великолепием: роспись стен выполнена московскими мастерами, мраморные и резные иконостасы итальянской работы, иконы в византийском стиле. На колокольне были установлены часы с боем.

В начале 1930-х годов храм был закрыт, иконостас разрушен. Во время Великой Отечественной войны в здании ремонтировали военную технику, а позже использовали как склад. В 1992 году храм был возвращен епархии, и богослужения возобновились. В настоящее время ведутся реставрационные работы.

Объемная композиция храма выполнена в крестово-купольном стиле с пятиглавием. Западная ветвь креста продолжается в средний неф трапезной, переходящий в первый ярус трехъярусной колокольни. Фасады сочетают византийские и классицистические мотивы, с ритмичным чередованием частей и различной обработкой поверхностей. Верхние ярусы колокольни и апсиды имеют строгие формы классицизма с пилястровыми портиками. Внутреннее убранство примечательно оформлением перехода от свода к световому барабану, где карниз поддерживают 29 декоративных кронштейнов в виде херувимов.

Преображенский храм в Бутурлиновке является самым крупным и сложным по структуре и декору среди храмов, построенных в епархии в конце XIX века.