До 1658 года стояла деревянная церковь, сгоревшая в большой городской пожар. Первое упоминания о деревянной церкви Спаса Преображения относится к 1463 году.

В 1672 году на месте сгоревшей деревянной церкви построен каменный храм. В 1693 году церковь расписана 22 мастерами во главе с Лаврентием Севастьяновым, Фёдором Фёдоровым и Иваном Дмитриевым. В 1694 году по прошению прихожан и с благословения митрополита Иосафана пристроен тёплый южный придел мученика Стефана. В 1807 году позакомарное покрытие меняют на четырёхскатную крышу с железной кровлей. В 1831 году южный придел перестроен «переправлен снаружи и покрыт железной кровлей с куполом и сходами, а внутри сделан накатный потолок и поставлен новый иконостас», разобрали большую часть западной галереи, построили большой притвор, входы оформили портиками с купольным покрытием. Церковь заново освятили. В 1858 году стенопись обновлена. На галерее летнего храма похоронен протоиерей Василий Ржевский, скончавшийся в 1882 году, прослуживший в храме Спаса на Городу 49 лет.

В 1918 году, во время мятежа белогвардейцев, снесён на 1/3 северный шатёр, в колокольне разорвался снаряд, оказались повреждены и главы четверика, пробиты насквозь стены южного придела. Последующие годы прихожане на собственные средства восстанавливали храм.

В 1926 году церковь закрыли. Здание храма передали местному краеведческому музею. Музей сдавал в аренду клубу водников, военно-железнодорожному лагерному сбору, трикотажно-текстильному союзу и прочим организациям. После 1936 года под госохраной, в здании церкви склад для утиля, склад разнообразных товаров Яроблторга, в 1960-х годах книжный склад. В 1978—1981 годах храм отреставрирован силами ЯСНПРМ. Полностью восстановлены фасады главного объема, северного придела и колокольни. Устаеновлены золоченые кресты. Ликвидированы наиболее опасные трещины и выбоины. В 1991—1993 годах проведены повторные ремонтно-восстановительные работы.

В июле 2003 года храм передан Ярославской Епархии. В 2004 году в храме на средства прихожан начали проводиться реставрационные работы. В 2009 году начались реставрационные работы в летнем храме. Частично восстановлены древние фрески. С января 2018 года реставраторы приступили к восстановлению древних фресок в центральном алтаре.