В далеком прошлом на этом месте находились две деревянные церкви: Афанасьевская, посвященная Афанасию и Кириллу, александрийским чудотворцам, упоминается в 1621 году, и Николаевская, в честь святителя Николая Чудотворца. Из-за ветхости деревянные храмы были разобраны, и в 1746 году на их месте построили новый храм в честь Преображения Господня на средства купца Петра Михайловича Нелюбова и прихожан. В храме было три престола: главный в честь Преображения Господня, правый и левый в честь Благовещения Пресвятой Богородицы и святого Преподобного Авраамия Чухломского Чудотворца. В нем служили два священника, два диакона и три псаломщика. В прошлом собор был окружен красивой каменной оградой с железной решеткой с юго-восточной и южной сторон, а с северо-восточной, северной и западной сторон находился городской сад, что подтверждают сохранившиеся фотографии. В 1897 году был построен церковный дом для приюта собора, а в 1901 году начата постройка второго деревянного двухэтажного дома. Собор действовал до 1932 года, после чего был закрыт. Первоначально планировалось разместить в нем музей, но из-за организации электростанции летняя и холодная Преображенская церковь была использована для этих целей, а в остальном помещении собора разместили мельницу, столярный и обойный цеха, а также пилораму Чухломского райпромкомбината. После передачи собора под эти организации были разрушены колокольня и главы собора, полностью утрачены барочный нарезной иконостас. Архитектура собора сочетала новые принципы структуры культовых зданий XVIII века с древнерусским декором, что видно по отдельным деталям каменного декора. Уцелевшие наличники нижнего яруса можно датировать концом XVII века. Храм утратил своё пятиглавие и шатровую звонницу, а также был реконструирован внутри. Тем не менее, благодаря сохранившимся деталям фасада, здание напоминает о своем храмовом предназначении. Под сводами сохранились фрагменты росписей прошлого века. Здание собора признано архитектурным памятником XVIII века, на его стене установлена мемориальная доска. Однако здание разрушается: в стенах холодного храма есть трещины, ограда и ворота разрушены. 2 августа 1996 года Преображенский собор отметил своё 250-летие, по этому случаю прошли торжества. В настоящее время здание Преображенского собора принадлежит МУП "ЧУХЛОМАЖИЛКОМХОЗ".