В августе 1794г. состоялось торжественное освящение города Одессы, во время которого на Соборной площади было освящено место строительства церкви в честь Николая Чудотворца, а в 1795г. был заложен первый камень. Эта церковь и стала прародительницей будущего кафедрального собора. Сооружение церкви по проекту инженера В.Вонрезанта планировалось закончить в 1797г., но строительство прекратилось из-за смерти Екатерины II - по приказу Павла II, сооружение храма, как и другие строительные работы в Одессе, прекратились и возобновилось только в 1804 году, когда из государственной казны блыи выделены деньги.
Торжественное освящение церкви произошло  25 мая 1809г. Главный престол соборной церкви был освящен в честь Преображения Господня, правый - во имя Святого Николая и левый - во имя Святого Спиридона. После освящения церкви она и получила свое окончательное наименование -Спасо-Преображенской.

      В 1825г. был утвержден проект колокольни, разработанный Д.Фраполли. Колокольня разместилась западнее церкви. Строительство колокольни было завершено в 1837г. Учитывая то, что Одесса в 1837г. стала епархиальным центром, Спасо-Преображенский собор стал кафедральным. Возникла потребность в его расширении. По заказу архиепископа Гавриила в 1841г. архитектор Д.Гейденрейх разработал проект трапезной части, объединившей колокольню и старую церковь. Частичные реконструкции собора производились в период 70-80-тых годов прошлого века, а в 1894г. был осуществлен капитальный ремонт собора.

      Архитектурные недостатки собора, возникшие при многократных достройках, были исправлены при последней реконструкции в 1900-1903гг., на которую было потрачено 220 тыс. рублей из городской казны. Реконструкция предусматривала не только изменение фасадов, но и значительную перестройку интерьеров. В этот период были построены два боковые купола, а к восточному фасаду - портик. Была украшена и колокольня.

      Внутренний вид собора был великолепен. Первое, что поражало при входе в храм - обилие света и простор. Колонны в интерьере в коринфском ордере были облицованы искусственным мрамором белого цвета. Пол выложен из плит белого мрамора. Новый иконостас - из серовато-белого полированного мрамора. Над престолом возвышалась куполообразная сень на самостоятельных колоннах. После реконструкции 1903г. кафедральный Спасо-Преображенский собор стал одним из крупнейших храмов Российской империи и вмещал до 9 тысяч человек. Его размеры в плане составляли 90х45 метров, а высота колокольни - 72 метра.

В 1936 г. собор был полностью разрушен.

В настоящее время он отстроен заново. Находится он в Одессе, в центре города, на Соборной площади