Собор строился в течение 15 лет, с 1898 по 1913 год, рядом с Троицким собором, исключительно на средства, собранные прихожанами. Проект был разработан вологодским губернским архитектором Н.С. Пухловым. Необходимость в новом храме возникла из-за того, что каменный Троицкий собор, освященный в 1756 году, не мог вместить всех жителей Вельска и окрестных деревень.

Инициаторами строительства стали купец первой гильдии и председатель церковного попечительства Конон Вонифатьевич Попов, настоятель Троицкого собора Николай Следников и церковный староста Петр Ушаков. Иконостас частично изготавливался в Вологде, а частично на месте под руководством местного мастера. Иконы для собора были написаны в одной из мастерских Москвы.

Собор представлял собой двухэтажное крестовокупольное здание с пятью главами и четырьмя столпами, с полукруглой апсидой и прямоугольной папертью с порталом. Он был построен из кирпича на известковом растворе и облицован штукатуркой, имитирующей каменную кладку. Величественное здание увенчивалось пятью луковичными главами на световых барабанах. С востока к нему примыкала полукруглая двухэтажная апсида, а с запада, прямоугольная паперть с порталом. Внутри собор был разделен на три нефа, а массивные пилоны поддерживали арки, на которых покоились световые барабаны.

1 июля 1913 года состоялось торжественное освящение главного престола храма в честь Преображения Господня. На следующий день был освящен южный придел во имя первомученика Стефана, а 3 июля, северный придел во имя преподобного Серафима Саровского. Собор изначально не имел собственной колокольни и был задуман как холодный, поэтому службы проводились с весны до осени.

В 1922 году, в ходе кампании помощи голодающим Поволжья, из собора изъяли церковные ценности, и приход был закрыт.

В 1931-1934 годах Преображенский собор подвергся значительной реконструкции, в результате которой были утрачены завершения храма, изменены и заложены многие оконные и дверные проемы, разобрано крыльцо с папертью, и проведена перепланировка интерьера.

С востока к апсиде была добавлена прямоугольная пристройка, полностью закрывшая полукружие апсиды на первом этаже. Второй этаж собора был разделен на два, а перегородки изменили планировку на всех этажах. Плоские перекрытия заменили сводчатые, а первоначальные оконные проемы с полуциркульным верхом переделаны в прямоугольные. Были устроены дополнительные оконные проемы, а окна апсиды на втором этаже заложены. Утрачены главы со световыми барабанами, второй ярус паперти, крыльцо с порталом и верхний фриз карниза собора, выполненный в виде арочных ниш с архивольтами.

После капитального ремонта здание передали районному Дому культуры, который функционирует там и по сей день.