Перед нами типичный пример "сибирского барокко", которое возникло в Тобольске в начале XVIII века и затем распространилось по всей Сибири. Характерные черты этого стиля здесь очевидны: форма "корабля" с колокольней, снесённой в советское время, двухпридельной трапезной и стройным двусветным четвериком, придающим вертикальную динамику зданию. В Тобольске находится храм святых праведных Захарии и Елисаветы, построенный в 1758-1776 годах, который является двойником Спасо-Преображенского собора. Создатели собора ориентировались на такие образцы "сибирского барокко", и сходство многих деталей очевидно. Южнорусское влияние в "сибирском барокко" связано с тем, что долгое время Тобольскую кафедру возглавляли выходцы из Малороссии. Это влияние особенно заметно в пятиглавии с боковыми колоколообразными главками на высоких тонких барабанах. Однако "сибирское барокко", это самобытное направление, и воспринимать Спасо-Преображенский собор как прямое отражение украинского зодчества неосмотрительно и неправильно.

Архитектурные детали Спасо-Преображенского собора демонстрируют разнообразие форм окон, что характерно для барочных храмов, стремящихся к богатству оформления экстерьера. Основные окна, часть из которых ложные, представляют собой высокие прямоугольники с полуциркульным завершением, украшенные рельефными бровками. "Вспомогательные" окна круглой формы. В верхней части фасадов расположены четырёхлепестковые люкарны, выделенные изгибом карниза. На гранёной крыше четверика установлен восьмигранный световой барабан с завершением в виде распластанного восьмигранного колокола. На нём находится ещё один, глухой барабан меньшего объёма с восьмигранной главкой. Боковые главы с барабанами являются уменьшенными копиями центральной главы. Основой устройства пятиглавия является принцип геометрического повтора с уменьшением объёмов в высоту, что придаёт конструкции изящную лёгкость и устремлённость вверх. Симметричные приделы трапезной лаконичны в своей геометрии и декоре, здесь не встретишь привычного барочного изобилия. За два века они неоднократно перестраивались и расширялись. Внешне это прямоугольные объёмы со стенами, украшенными пилястрами и прорезанными окнами с полуциркульными завершениями и круглыми "вспомогательными" окнами. Портики, оформляющие главный вход в собор, восстановлены в новейшее время. Первоначальные портики, появившиеся в эпоху классицизма, свидетельствуют о позднем происхождении, они были частью "обустройства" ныне не существующей колокольни. В начале ХХ века портики были превращены в паперть, откуда осуществлялся вход на колокольню. Реконструкции трапезной части собора до революции проводились для увеличения "полезной площади" трапезного пространства, которое зимой не вмещало всех желающих. Причиной была теснота трапезной, ведь прихожан тогда было гораздо больше, чем сейчас. Два мощных столпа, поддерживающие своды, позволили отделить два замкнутых помещения, в южном из которых ныне устроена церковная лавка. Придельные храмы идентичны по размерам и форме иконостасов. Почти полное совпадение деталей говорит о продуманности такого решения.

Северный придел освящён во имя святых апостолов Петра и Павла, южный, во имя Михаила Архангела. В южном приделе находится стекло с чудесно отобразившимся на нём Спаса Нерукотворным образом. В трапезной благодаря большим окнам необыкновенно светло. Побеленные стены усиливают ощущение простора, а деревянный пол добавляет атмосферу провинциального уюта. Арочный проём ведёт в центральную часть собора. В четверике, стены которого тоже побелены, до революции весь храм был расписан, и эти росписи периодически обновлялись. Светлее здесь благодаря второму ряду окон и люкарнам в верхней части фасадов. Восьмигранное завершение постройки изнутри открыто, закрыт лишь световой барабан. Стены членятся мощными выступами, соответствующими внешним пилястрам. Иконостас трёхъярусный, новый, иконы для него писал местный художник Андрей Жуков. В книге "Приходы и церкви Екатеринбургской епархии" описывается центральный иконостас собора, утраченный в советскую эпоху: "Главное украшение храма, иконостас в главном приделе, устроенный в 1864 году на средства прихожан. Его стоимость доходит до 18 000 рублей, причём главную ценность составляют иконы, написанные в Академии художеств. Сам иконостас в три яруса вызолочен на полимент и украшен резьбой. Поновлённый в 1900 году, украшенный художественно исполненными иконами, он привлекает внимание и оставляет сильное впечатление".

Одно из значимых событий в новейшей истории шадринского Спасо-Преображенского собора произошло в ноябре 2007 года, когда на стекле киота с надвратным Спаса Нерукотворным образом произошло "удвоение" иконы. 28 ноября 2007 года два служителя храма сняли икону Спасителя и занесли её в собор, чтобы очистить стекло. Их удивление было велико, когда они обнаружили на стекле чёткое изображение Спасителя, которое выглядело то как негатив, то как позитив фотографии. Нерукотворный "отпечаток" на стекле решили оставить в храме, поместив его в резной киот в приделе Михаила Архангела, слева перед иконостасом. Множество православных приезжают в Шадринск, чтобы поклониться чудотворной святыне, "удвоенному" образу Спасителя.