История Спасо-Преображенского кафедрального собора в Тамбове начинается за несколько лет до его возведения — в 1636 г. был выстроен городской кремль, а в нем — главная церковь Тамбова, тогда еще деревянная. В 1694 г. было решено, что кафедральная церковь города должна быть перестроена — начинается возведение первого каменного храма Тамбова, которому сегодня суждено носить статус старейшего православного собора всей области.

Сначала строительство шло достаточно быстрыми темпами, чему способствовало внимание епископа тамбовского Питирима (святого Питирима). Но святой отец скончался в 1698 г., после этого возведение храма растянулось на целые десятилетия: завершено оно было лишь в 1783 г., когда в строительство вложил свои средства местный купец — Матвей Бородин.

Впрочем, и ему не удалось воплотить в жизнь свои планы — так и не был установлен иконостас в верхней церкви (занял он свое место лишь в 1801 г., вновь благодаря пожертвованиям купечества: на сей раз свои средства вложил в строительство Матвей Малин).

В памятном 1812 г. рядом с собором достроили и освятили каменную колокольню, которую возводили целый год. В то время ее появление было знаменательным — высокое строение словно символизировало единение народа, совершившего великий патриотический подвиг.

В середине века прихожан в храме стало так много, что во время служб они чувствовали тесноту — началась капитальная перестройка сооружения. Одной из причин недостаточной просторности внутри храма являлись лестницы, которые вели в верхнюю церковь. Согласно плану архитектора С. А. Березнеговского, их демонтировали, а рядом с храмом выстроили двухэтажную паперть, в которой и расположились новые лестничные пролеты. Здание требовало серьезного ремонта, который растянулся на 6 лет. За это время был проведен косметический ремонт, установлены новые резные капители (верхние чести) на подкупольные столбы. Верхняя церковь получила новый иконостас, 6 икон для среднего ряда которого написал ученик академии Муханов. Эти образы ценились столь высоко, что, по замечаниям современников, весь иконостас не стоил столько, сколько стоили они. Иконостас нижней церкви также поменяли — теперь он был выполнен в стиле рококо, которому повсеместно соответствовали украшения и резьба в храме.

Грандиозность сооружения чуть позже, в 60-х годах XIX века, стали подчеркивать два одноэтажных флигеля, выстроенных рядом с собором. Впрочем, все это великолепие оказалось под угрозой во времена советской власти — была разобрана колокольня (щебнем из нее посыпали улицы в парках), на месте одного из флигелей построен дом, архитектура которого соответствовала середине XX века.

По счастью, от полного разорения храм был спасен — в нем долгое время находился местный краеведческий музей.

Главная святыня храма — мощи святого Питирима, а также его фелонь (верхняя одежда для богослужений), дарованная царем Алексеем Михайловичем.