«Я был в земном раю . Не знаю, сподобит ли меня Господь быть в раю небесном?.... Я был в Рыбинском соборе!» - так писал в прошлом веке архиепископ Ярославский и Ростовский Ионафан (Руднев) после посещения храма в 1881 г.

Строительство собора имело долгую историю. Еще в 1811 г. в связи с ростом города и ведущимся обширным строительством встал вопрос о строительстве в городе нового храма. Мнения купцов разделились: большинство стремилось сохранить старый Преображенский собор как "древность благоукрашенную усердием предков... оставить нерушимою в память и пример будущим своим родам"; другие, ссылаясь на ветхость здания, не находили другого достойного места.

Долгие 20 лет шел этот спор, и в результате в 1838 г. подрядчики приступили к его разборке. 29 июня 1851 г. торжественным архиерейским чином архиепископ Евгений (Казанцев) освятил только что устроенный храм.
Построенный по проекту ректора Академии художеств А.И.Мельникова новый собор, вмещающий более 3000 молящихся, соединили галереей, служившей одновременно папертью, с колокольней, под которой устроили главный вход.
В 1991 г. при соборе зарегистрирована церковная община, которой в 1996 г. передали в пользование колокольню собора.