Спасо-Преображенский собор был построен в Соловецком монастыре в 1558-1566 годах. Тогда настоятелем обители был игумен Филипп (Колычёв), через несколько лет убитый по приказу Ивана Грозного.
На первом ярусе церкви располагались хозяйственные помещения, на втором — приделы в честь Преображения Господня, в честь Зосимы и Савватия и в честь Михаила Архангела. На месте Зосимо-Савватиевского придела в 1859 году построили Свято-Троицкий собор, посвящённый этим святым. На третьем ярусе находились приделы в честь собора 12 апостолов, собора 70 апостолов, великомученика Феодора Стратилата и преподобного Иоанна Лествичника.
В кокошниках церкви можно разглядеть древние росписи, упомянутые ещё в 1711 году. Они изображают преподобных Зосиму и Савватия, Благовещение Пресвятой Богородицы, святителя Филиппа и преподобного Германа, Преображение Господне. Живопись с геометрическим и растительным орнаментом появилась на фасадах в XVIII–XIX веках. Сейчас в церкви можно увидеть два вида окон: первоначальные XVII века и перестроенные XVIII столетия.
В 1858 году на Соловецких островах побывал император Александр II. Он пожертвовал две тысячи рублей на создание в церкви придельного храма в честь святого благоверного князя Александра Невского — в честь своего небесного покровителя.
Когда на Соловках был устроен лагерь, Спасо-Преображенский собор объявили заповедником и открыли здесь отделение антирелигиозного музея. В церкви хранились до двух тысяч икон, предметы церковной утвари, медные гравюры, мощи святых. Реставрация собора началась в 1980-х годах, первое после 70-летнего перерыва богослужение состоялось 20 апреля 1990 года.
Современный иконостас в церкви установили в 2002 году, его сделали на средства благотворительного фонда имени Андрея Рублёва. Спасо-Преображенский собор после реставрации был освящён 19 августа 2007 года.
