Первый деревянный Преображенский храм построен в Тихвинском посаде в 60-е гг. XVI века в связи переносом жилых и торговых построек Пречистенского посада (будущий г. Тихвин) на новое место в результате учреждения Тихвинского Успенского мужского монастыря. Работами руководил новгородский строитель Ф.Д. Сырков. Вокруг храма постепенно сформировался центр поселения. В 1625 году пришедшее в ветхость здание собора отремонтировано.

В 1662 году храм сгорел, восстановлен в 1663 году. Вновь сгорел в 1693 году. В том же году на месте деревянного храма заложен новый каменный собор, постройка которого на средства прихожан продолжалась до 1748 года. Кирпичное здание собора представляло собой бесстолпный пятиглавый четверик с трапезной и позолоченными куполами. Главный придел освящен во имя Преображения Господня, южный – в честь Варлаама Хутынского, северный – Благовещения Пресвятой Богородицы.

На основании высочайше утвержденного 21 марта 1773 г. доклада Сената «Об учреждении Новгородской губернии в Тихвинском уезде воеводской канцелярии и о приписке некоторых погостов к городам Порхову, Гдову, Старой Руссе, Новой Ладоге и Тихвину» Тихвин получил статус уездного города. Собор стал главным городским храмом, приход которого охватывал весь Тихвин. В начале XIX века рядом с собором возведена трехъярусная колокольня в стиле классицизма высотой более 41 метра с золоченым шпилем и проездными арками в нижнем ярусе.

В 1872–1883 гг. храм капитально перестроен под руководством архитектора И.И. Буланова: к «холодному» собору пристроен «теплый» и в него перенесены приделы основного собора, расширена трапезная, вся старая часть здания подверглась ремонту. Строительные работы осуществлялись на кошельковые суммы и пожертвования церковного старосты – тихвинского купца Ивана Родионова.

Главной святыней собора считалась так называемая «Стокгольмская икона» – список с Тихвинской иконы Божией Матери, привезенный русскими купцами в 70-е гг. XVII века из Швеции и подаренный храму. При Преображенском соборе действовали приходское попечительство, Общество трезвости, приходские женское и мужское училища и женская прогимназия.

Декретом СНК от 23 января 1918 г. «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» собор лишен прав юридического лица, его имущество подлежало национализации. Закрыт в 1939 году.

Исповедные росписи (1801–1866 гг.); клировые ведомости (1888; 1894; 1912 гг.); книги брачных обысков (1803–1836 гг.); опись церковного имущества приделов преподобного Варлаама Хутынского и Благовещения Пресвятой Богородицы (1872 г.); дополнительная церковная и ризничная опись собора (1878 г.).