Проект нового собора был разработан архитектором А. Е. Антоновым и с июля 1906 по апрель 1907 года рассматривался в Строительном отделении Губернского правления. Дважды к проекту были предъявлены замечания, и лишь на третий раз он был согласован. Тем временем определилось место будущего собора и продиктовано оно было соображениями чисто практическими: там, где согласно Дивевскому преданию преподобный Серафим благословил возвести зимний собор, уже стояла Тихвинская церковь. И хотя митрополит Серафим (Чичагов) настаивал на том что бы строить именно на этом месте, игуменья Александра не пожелала разбирать Тихвинский храм.
10/23 июня 1907 года состоялась закладка собора на свободной от застройки территории, юго-восточнее Троицкого собора, вне Канавки Божией Матери. Во время этой церемонии блаженная Паша Саровская произнесла слова, которые звучали пророчеством о грядущем запустении в храме: «Собор-то собор, а я усмотрела: черемуха по углам собора выросла, как бы не завалила и собор-то!».
Храм строился около десяти лет на средства московского купца Ф. В. Долгинцева, под техническим руководством А. И. Румянцева и под надзором архитектора П. В. Харко. В 1916 году он был подготовлен к освящению и расписан сестрами под руководством художника П.Л. Парилова из Палеха.
Иконостас и утварь были готовы, но, из-за революции 1917 года величественный пятиглавый собор в неорусском стиле, который предполагалось освятить в честь иконы Божией Матери «Умиление», остался не освященным на 80 лет.
Интересно отметить, что в 1990-х годах игуменья Серафима (Черная-Чичагова) совместно с двумя московскими специалистами обращалась к митрополиту Николаю с ходатайством о передвижении собора на территорию Канавки Божией Матери. В этом случае собор занял бы пустующее место и разместился она одной оси с Троицким собором, воплотив, таким образом, пророчество Преподобного в жизнь.
О с н о в у о б ъ е м н о-планировочной структуры храма соборного типа составляет мощный четырехстолпный пятиглавый четверик, поставленный на подклете. Фасады четверика имеют трехчастное деление, переходящее в полукружия закомар, средние из которых шире и выше боковых. Несмотря на значительные габариты, храм кажется устремленным ввысь. Это впечатление создается ступенчатым построением его составляющих объемов, с поэтапным нарастанием к центру. Движение вверх начинается от крыльца к западному притвору, от боковых притворов к центральному объему и далее, от закомар к пятиглавию с повышенным центральным барабаном увенчанным шлемовидной главой.
Внешнему облику храма полностью соответствует внутреннее пространство, чрезвычайно динамичное. В столбах и парусных сводах применен железобетон, еще не имевший в ту пору повсеместного распространения: четыре железобетонные столпа квадратного сечения поддерживают кирпичные подпружные арки несущие своды и центральный барабан.
Неосвященный собор называли Новым. После закрытия монастыря он был разграблен. Несколько лет в нем помещался тир. Здание было передано церковному приходу весной 1991 года. Ремонтно-реставрационные работы начались в 1992 году, параллельно с ними выполнялись натурные исследования.
Освящение главного престола в честь Преображения Господня совершил митрополит Нижегородский и Арзамасский Николай в сослужении 20 священников 3 сентября 1998 года.
В 2006 году купола Преображенского собора были покрыты сусальным золотом. К 2008 году иконописцами из Самары под руководством Анатолия Беляева были закончены росписи стен и сводов храма.