Первое упоминание о Спасо-Преображенском монастыре встречается в Новгородской Первой летописи за 1192 год: "В то же лето в Русе срубили церковь на острове, Мартурий игумен, в имя святого Преображения, и создали монастырь, и стало это прибежищем для крестьян и христиан". Это запись является первой среди регулярных летописных свидетельств о Старой Руссе, хотя ранее, в 1167 году, Руса уже упоминалась в летописи. В записи говорится, что монастырь был основан "на острове", хотя сейчас местность, где расположен монастырь, островом не является. Дореволюционное описание монастыря предполагает, что раньше ручей Войе, обтекающий город с востока и впадающий за монастырём в реку Полисть, образовывал остров. В 1194 году монастырь сгорел вместе с другими постройками Русы. В 1198 году его основатель, ставший архиепископом, Мартирий построил в нём каменный собор.

Первоначальный облик Спасо-Преображенского собора не сохранился, и теперь его можно представить только по данным археологических исследований. Согласно им, храм был типичным для новгородской архитектуры того времени: почти квадратный, с четырьмя столпами, тремя входами и трёхчастным делением стен. Он был схож с церквями Спаса на Нередице и Петра и Павла на Сильнице, но отличался лестничной башней у северо-западного угла, что было редкостью для новгородских храмов конца XII века.

К середине XV века собор обветшал, и в 1442 году при игумене Иоанне его перестроили, почти полностью разобрав старые стены. Инициатором перестройки был новгородский владыка Евфимий II, который освятил храм после завершения строительства. Собор приобрёл трёхлопастное покрытие, характерное для новгородских церквей того времени, и стал двухэтажным. В таком виде он сохранялся до XVII века. В период Смутного времени, когда Старая Русса была занята шведскими войсками, монастырь был разорён, а окрестные дворы сожжены.

Впоследствии собор использовался как зерносклад и к началу войны находился в плачевном состоянии. Во время оккупации в уцелевших зданиях разместилась немецкая комендатура. В 1960-е годы началась реставрация архитектурного ансамбля к 800-летию Старой Руссы. Были восстановлены окна нижнего яруса в стиле XV века, а на южном фасаде также восстановлено одно окно второго яруса. На южном фасаде сохранились два наличника с "разорванными" фронтонами, характерными для новгородской архитектуры конца XVII века. При реставрации алтарных апсид выявили их разноуровневость, утраченную в XIX веке. Оконные проёмы и декор над ними относятся к XV веку. Верхняя часть здания была полностью перестроена в первой трети XVII века, что отразилось в декоре барабана.

Сейчас собор превращён в музей и лишён богослужебных функций. В нём находится краеведческая экспозиция, но его конструктивные особенности, выявленные в ходе реставрации, остаются видимыми. Например, интерес представляют восточные столпы переменного сечения, круглые внизу и квадратные вверху, сохранившиеся с XV века. В XV и XVII веках собор был расписан, но до наших дней дошли лишь небольшие фрагменты фресок, свидетельствующие о мастерстве древних художников. Они расположены на восточных столпах, ранее скрытых иконостасом, и в труднодоступных для обновления участках стен, а также на западной стене и в нишах-арконсолях.