Спасо-Преображенский собор является самым крупным сооружением в кремлевском ансамбле. Он был построен в 1713-1716 годах на месте собора XV века, возведенного при князе Андрее Большом. В угличских писцовых книгах сохранилось его описание: «Собор на высоких папертях с одной главой, крыт по закомарам тесом, а глава на деревянных дугах покрыта деревянной чешуей. В церкви издавна было стеновое письмо, а в паперти находилась рубленая шатровая колокольница с боевыми часами».

Спасо-Преображенский собор сочетает в себе черты архитектуры начала XVIII века, объединяя традиции древнерусского зодчества с новыми приемами. В его композиции доминирует массивный центральный куб с пятью главами. Фасады украшены декоративными элементами, такими как наличники с «разорванными» сандриками, характерными для русского барокко. Конструкция собора отражает достижения строительства XVIII века, когда строились в основном бесстолпные церкви. Впечатляют размеры центрального объема, где четырнадцатиметровый пролет перекрыт легким сводом высотой семнадцать метров без опорных столбов. Это инженерное решение ставит собор в ряд лучших сооружений русской архитектуры того времени. Отсутствие опорных пилонов позволило максимально раскрыть внутреннее пространство храма, что способствовало размещению крупных живописных композиций. Собор был расписан в 1810-1811 годах артелью крепостных мастеров под руководством Тимофея Медведева из села Тейково. Живопись отличается высоким уровнем ремесленного мастерства, более пятидесяти композиций выполнены по образцам позднего Возрождения и барокко. Фреска «Преображение» с изображением исцеления бесноватого является копией картины Рафаэля, но провинциальный художник утрировал работу мастера, добавив внешнюю патетику и динамику. Контрастные цвета создают ощущение дисгармонии, а декоративные элементы, такие как колоннады и резные картуши, усиливают иллюзию пространства и перспективы.

Грандиозный многоярусный иконостас собора был установлен в 1860 году и варьирует формы «нарышкинского барокко», хотя его пластика суха. Колонки, оплетенные лозой, и карнизы обрамляют иконы, самые старые из которых находятся в нижних ярусах. Икона «Покров Богоматери» является образцом ярославской школы XVII века. Иконы праздничного чина, вероятно, написаны в начале XVIII века одновременно с сооружением собора. Иконы Спаса и Богоматери в местном ряду напоминают произведения украинского барокко XVII века. Они попали в собор на рубеже XVII-XVIII веков, когда кафедру Ростовской епархии возглавляли митрополиты Иосаф и Дмитрий. Рядом с собором возвышается тридцатипятиметровая колокольня, построенная в 1730 году, спустя полтора десятилетия после собора. Задержка строительства могла быть связана с указом Петра I 1714 года, запрещавшим строительство каменных сооружений в провинции. Колокольня относится к типу ярусных, и в Угличе сохранилась еще одна подобная колокольня у Корсунской церкви. Внутри кремлевской колокольни сохранился механизм башенных часов с боем, редкий памятник искусства часовщиков XVIII века. Сегодня он является музейным экспонатом. Современные мастера Угличского часового завода установили на колокольне электронные часы с боем, и теперь над городом вновь раздается мелодичный звон, символизируя преемственность и развитие традиций.