Архитектурно-археологические остатки Преображенского собора находятся в центре комплекса. Собор был возведен в 1595-1601 годах как белокаменный шестистолпный трехапсидный храм с пятью главами, по размерам и художественным качествам не уступающий Благовещенскому собору.

Первоначально собор во имя Преображения Господня был построен в 1550-х годах из дерева на каменном подклете. В 1596-1601 годах на его месте появился каменный шестистолпный храм с пятью главами и тремя алтарными выступами. Он был возведен на более раннем каменном подклете, который сохранился до наших дней и напоминает нижний храм Благовещенского собора. Это помещение с четырьмя столпами и стеной с проемами, отделяющей подалтарную часть, на которые опираются коробовые и крестовые своды. Верхняя часть здания была разрушена в 1930-е годы, но даже сохранившаяся часть позволяет судить о многочисленных перестройках, которые претерпел Преображенский храм.

В XVIII веке к собору были пристроены галереи с северной и южной стороны, отличавшиеся друг от друга. Южная галерея представляла собой сводчатые помещения на уровне нижнего яруса собора, соединенные с основным белокаменным объемом. Верх галереи был плоским и использовался как открытая паперть. Северные галереи были двухъярусными. Первый ярус состоял из сводчатых помещений с крестовыми сводами, опирающимися на белокаменные пяты трапециевидной формы. Второй ярус не сохранился и сейчас восстанавливается. По историческим данным, это было сводчатое помещение под односкатной кровлей, служившее коридором, соединяющим собор с домом настоятеля и церковью Николы Ратного. Восточные галереи начинались с большого парадного входа. В 1901 году с западной стороны был выполнен пристрой на всю ширину собора.

Преображенский собор был разрушен в середине 1920-х годов в ходе борьбы с религией. До наших дней сохранился цокольный этаж с перекрытиями. Стены подклета сложены из белого камня, блоки гладко отесаны и плотно пригнаны друг к другу. Сводчатые перекрытия также белокаменные, опираются на стены и два ряда квадратных столбов. Весь комплекс этих построек сейчас приспосабливается под Музей археологии Республики Татарстан.

Первая колокольня Спасо-Преображенского собора была деревянной. Вторая, каменная, существовала до 1858 года и находилась к северо-западу от собора на галерее, соединяющейся с настоятельским корпусом. Из-за ветхости колокольня была разобрана. В 1858-1860 годах была построена новая колокольня над Святыми вратами Варваринской церкви. На кубообразный объем с воротами на первом этаже и церковью на втором этаже были надстроены три яруса. На втором ярусе располагались колокола, на третьем, боевые часы. В настоящее время место расположения колокольни обозначено другим цветом брусчатки на тротуаре.