
Стоящий на набережной Волги собор считается главной достопримечательностью города. В свое время здесь находился храм во имя Преображения Господня, построенный в середине XVII века.

В старом соборе молилась императрица Екатерина II, останавливавшаяся в тогдашней Рыбной слободе во время своего путешествия в Казань в мае 1767 года.

Местные летописцы сообщали, что «галера Ее стояла всю ночь на якоре против нарочито устроенного деревянного дворца, а поутру 9 мая, в день Святителя Великого и Чудотворца Николая Мирликийского, спустилась к храму Преображения Господня. Здесь, при бесчисленном стечении народа, Государыня встречена была духовенством, приложилась к Животворящему Кресту и, отправившись в храм Преображения, слушала божественную литургию в устроенном для того месте».

Местное купечество поднесло Екатерине Великой в подарок красивое кресло.
Местное купечество поднесло Екатерине Великой в подарок красивое кресло, но императрица, отблагодарив дарителей, повелела навечно поставить сие кресло в соборе на том самом месте, где она изволила выслушать литургию. Распоряжение августейшей особы было, естественно, исполнено. Сто лет спустя историческое кресло, над которым устроили позолоченный балдахин, сменило место нахождения.
С годами собор Преображения Господня, выстроенный в лучших традициях ярославской архитектуры, начал ветшать. К тому же с ним дисгармонировала 94‑метровая колокольня, выстроенная, как полагают историки, по проекту Степана Воротилова. Документальных подтверждений авторства нет, зато известно о пребывании архитектора-самоучки в Рыбинске в годы возведения колокольни (1796—1804).
52 колонны колокольни, расположенные на всех четырех ярусах, создают впечатление устремленности постройки в небо. Под вальмовой крышей здания в 1896 году были установлены действующие и поныне механические куранты работы известной фирмы Фридриха Винтера. Их необходимо заводить раз в три дня. Для этого часовому мастеру приходится совершать подъём по ведущим на самый верх колокольни 264 деревянным ступеням.
В 1811 году начались дебаты о необходимости постройки нового храма. Они затянулись на 20 с лишним лет, поскольку расчётливые купцы никак не могли решить — сохранять старый храм или нет. В 1838 году решение о сносе все же приняли. В утвержденном проекте ректора петербургской Академии художеств Авраама Мельникова предлагалось соединение храма с колокольней с помощью галереи-трапезной. Новый собор освятили в 1851 году.
В 1929 году собор закрыли, а богатейшие интерьеры уничтожили. Пропал, в частности, роскошный резной иконостас, который украшали 40 обвитых декоративными виноградными лозами колонн.
Опустевшее здание должны были снести при строительстве автомобильного моста через Волгу, но из-за начавшейся войны от этого плана отказались. Здание пытались использовать как овощехранилище, цирк и театр, но в конце концов переоборудовали в общежитие. В новом проекте Рыбинского моста 1963 года, уже предусматривалось не только сохранение собора, но и воссоздание его исторического облика. В 1996 году собор передали РПЦ.