Согласно местному преданию, записанному в нескольких списках памятника XVI века «Повести о водворении христианства в Муроме», основание монастыря связано с муромским князем Глебом Владимировичем, не позднее 1015 года.

Получив в управление Муром, святой князь не смог жить в самом городе из-за язычников и основал княжеский двор выше по течению Оки, на крутом лесистом берегу. Появление монастыря на рубеже X и XI веков прочно закрепилось в российской историографии, хотя существуют и другие мнения о времени его основания. Монастырь упоминается в летописях раньше всех других монастырей на территории России и фигурирует в «Повести временных лет» под 1096 годом в связи с «муромским походом» черниговского князя Олега Святославовича и гибелью под стенами Мурома князя Изяслава Владимировича.

В лето 6604... Изяслав собрал войско перед городом на поле. Олег пошёл на него с полком, и началась жестокая битва. Изяслав, сын Владимира, внук Всеволода, был убит 6 сентября... Олег вошёл в город, и горожане приняли его. Изяслава же положили в монастыре святого Спаса.

Ко времени смерти муромского князя Юрия Владимировича, 19 января 1175 года, относится второе упоминание Спасского монастыря как места его погребения: «преставился князь Муромский Юрий 19 января, и положен был у святого Спаса в Муроме». По Ипатьевскому списку, церковь, где был погребён князь, была построена по его инициативе: «в том же году преставился князь Муромский Юрий 19 января и положен был у Христовой церкви в Муроме, которую сам создал».

В конце XV века Спасский монастырь упоминается в летописи в связи с кончиной новгородского боярина Фёдора Борецкого, принявшего перед смертью иноческий постриг в Спасском монастыре, единственной мужской обители в Муроме того времени: «Той же весной преставился в городе Муроме Марфин сын Фёдор, и постригся 9 мая».

В середине XVI века после успешного похода Ивана IV Грозного на Казань в Муроме по приказу царя были воздвигнуты несколько каменных храмов, включая главный собор Спасо-Преображенского монастыря.

Несмотря на многочисленные перестройки, собор сохранил свой прежний вид. В нём чувствуется традиция пятиглавых соборов, идущих от Успенского собора Московского Кремля. Скромная орнаментация, строгие пропорции и монолитность здания придают ему облик суровой простоты, соответствующей торжественному монастырскому храму.

С именем царя Ивана Грозного связано и начало экономического расцвета Спасского монастыря. Царь наделил обитель обширными вотчинами и установил в нём «общежительство». В описях Мурома 1624 и 1636, 1637 годов монастырь значится как «строение государево», что подтверждает активное участие царской семьи в жизни обители. В 1616 году Муром подвергся нападению литовского отряда под командованием пана Александра Лисовского, во время которого пострадал и Спасский монастырь. В период церковных реформ Патриарха Никона Муром долгое время сопротивлялся нововведениям, а Спасский монастырь стал оплотом старообрядчества. Настоятель архимандрит Антоний написал несколько воззваний о перстосложении и отправил челобитную царю Алексею Михайловичу с указаниями на ошибки в исправлении книг при Патриархе Никоне. В 1662 году архимандрит Антоний был отстранён от управления монастырём, а в феврале 1666 года вызван на собор в Москву. Несмотря на покаяние, он был сослан в Кирилло-Белозерский монастырь. В 1680-е годы монастырь получил крупные пожертвования от митрополита Сарского и Подонского Варсонофия Черткова, происходившего из династии муромских купцов. На его средства в монастыре были построены двухэтажный настоятельский корпус и начата реконструкция Покровского трапезного храма. В 1720-х годах монастырь был приписан к рязанскому Архиерейскому дому, а на его территории открыта первая в городе школа для обучения священнических детей.

26 января 1765 года в Муромское духовное правление был направлен указ епископа Владимирского и Муромского Павла Гребневского об упразднении Борисоглебского монастыря и переводе братии в Спасо-Преображенскую обитель. Преподобный Серафим Саровский посещал здесь старца Антония Грошевника. С 1866 по 1868 годы монастырём управлял архимандрит Гавриил Воскресенский, профессор Казанского университета и первый русский историк философии. В 1877 году настоятелем стал архимандрит Антоний Ильенов, который застал монастырь в удручающем состоянии. После поездки в 1878 году на Афон в обитель была привезена копия иконы Божией Матери «Скоропослушница». В 1880-х годах монастырь реставрировали, и он стал местом паломничества.

В 1891 году на территории монастыря был построен каменный трёхэтажный братский корпус, где размещались муромские викарные епископы. В 1907 году в келейном корпусе освятили домовую церковь в честь священномучеников Херсонесских. После революции 1917 года монастырь закрыли, обвинив настоятеля епископа Муромского Митрофана Загорского в соучастии в восстании. В 1918-1919 годах Преображенский собор продолжал действовать как приходской храм. В 1920-е годы монастырь заняли военные и НКВД, началось уничтожение некрополя. В апреле 1990 года общественность Мурома обратилась с просьбой о передаче монастыря Русской православной церкви. В 1995 году воинская часть покинула монастырь, и началось его возрождение. В 2000 и 2009 годах монастырь капитально реставрировали при поддержке Счётной палаты РФ. 22 июня 2005 года на территории монастыря освятили часовню Святого Великомученика Георгия Победоносца.