При протопопі Матвієві Гресовському дерев’яний Преображенський храм в 1754 році перебудовувався.
За благословінням Преосвященного Аггея (Колосовського), єпископа Бєлгородського і Обоянського, 13 липня 1776 року при протопопові Іоаннові Словінському, священиках Федорі Словінському і Стефану Куліковському був закладений кам’яний соборний храм. Будівництво і благоприкрашення храму тривало дванадцять років.
Він був освячений 12 жовтня 1788 року Преосвященним Феоктистом (Мочульським), єпископом Бєлгородським і Курським.
Кам’яна дзвіниця була закладена 15 червня 1797 року, а будівництво її завершено в 1801 році. Перебудовувалась в 1821 році, тоді ж була споруджена і кам’яна огорожа храму.
Великий дзвін був узятий з Успенського чоловічого монастиря, який в 1788 році припинив своє існування.
Напис на цьому дзвоні підтверджує, що він виготовлений на кошти статського радника Якова Шубського. Другий, трохи менший дзвін, пожертвував сумчанин Данило Забродський.
Головними благодійниками соборного храму були Яків Шубський, Євдокія Парафієвська, Федір Філоненко, Олена Крамаренко, пізніше – купці Пилип Сидоренко, Андрій Копилов і Федір Стоянов, цеховий Матвій Алейников.
З ікон храму предметом особливого благоговіння служила Курська ікона Божої Матері, подарована курськими купцями в 1780 році.
Серед надзвичайних книг храму був Требник Київського митрополиту Петра Могили 1646 року з написом: “1710 г. февр. 15д. сию книгу отменил (купив. – Ред.) сумской житель Калина Леонтьев с женою своею Мариною за 7 руб. и отдал в Сумскую соборную церковь Преображения Господня за отпущение грехов своих”.
Були й інші древні книги та акти, у тому числі і царська грамота 1692 року на пожертвувану собору землю.
У 1858 році через прогресуючу деформацію зводів верхнього ярусу храм був перебудований з двоярусного в одноярусний.
Сучасний вигляд Спасо-Преображенський собор набув після капітальної реконструкції, проведеної в 1882-1892 році за проектом харківського архітектора М.І.Ловцова. Тоді ж були споруджені прибудови з північної і південної сторін і споруджена дзвіниця.
Храм став трьохпрестольним: головний – в ім’я Преображення Господня, південний – Благовіщення Пресвятої Богородиці і північний – Св. Великомученика Димитрія Солунського. Іконостас виконаний з білого мармуру і зеленого малахіту.
Живописні роботи в інтер’єрі виконували художники В.Є. Маковський і К.В. Лєбєдєв. Все це – розширення та благоприкрашення – відбувалось за кошти сумських купців Дмитра та Миколи Суханових, яким вдячні сумчани встановили в притворі храму пам’ятні дошки.
З 1867 року благочинним Сумського повіту і настоятелем храму був Василь Нікольський, нагороджений в 1895 році орденом Св. Володимира 3-го ступеню, а духовником – Микола Фесенко, нагороджений в 1903 році орденом Св. Анни 2-го ступеню.
Церковним старостою з 1901 року був дворянин статський радник П.І.Харитоненко.