Преображенский собор стал одним из первых каменных храмов. Он был заложен в 1815 году как символ освобождения Бессарабии от турецкого ига. Проект храма предполагал в соборе три придела: Никольский (левый) и Успенский (правый), а также Преображенский (центральный). Собор был назван Преображенским в ознаменование надежды на духовное преображение народов, длительное время стонавших под турецким игом.

Источниками средств, за счёт которых велись строительные работы, были пожертвования бендерских прихожан, а также других лиц, капитал, принадлежавший городу, кошельковая, кружечная и свечная сумма, пожертвования чиновников гражданского и военного ведомства, заём денег из областного казначейства и от правителя Бессарабской области графа Воронцова, арендные деньги за церковные лавки.

В день освящения Николаевского придела были собраны средства на завершение строительства Успенского придела. Его освящение последовало 19 декабря 1819 года. По традиции, в нём совершались богослужения на молдавском языке. В 1820 году строительные работы были завершены и в Преображенском приделе. 29 сентября 1827 года Высокопреосвященный Димитрий, архиепископ Кишинёвский и Хотинский, освятил собор. Но и после этого строительные работы не прекращались.

В 1832 году завершилось строительство колокольни. Однако, в связи с нехваткой средств, полностью строительные работы были закончены лишь к 1840 г.
Несмотря на проводимые время от времени ремонтные работы, внутренняя роспись собора имела неприглядный вид и поэтому, вначале 1930-х гг. церковные служители приняли решение обновить интерьер, для чего пригласили знаменитого молдавского художника и скульптора Александра Михайловича Плэмэдялэ. Приблизительно в мае 1934 года он прибывает в Бендеры, чтобы приступить к выполнению заказа.

По приезду в город, Александр Плэмэдялэ остановился в скромной гостинице (разрушенной во время Великой Отечественной войны), расположенной во дворе собора. Вместе с художником в Бендеры прибыли и четверо его учеников, недавно окончивших Кишинёвское художественное училище: В.Поляков, В.Нечаева, Н.Колядич и А.Мадвал.
Пожилые прихожане храма вспоминали, что в годы румынской оккупации все богослужения проводились только на румынском языке. В то время один из священников собора собирал часть прихожан в подвалах или погребах, и там тайно звучали молитвословия на церковнославянском языке.
Великая Отечественная война приготовила собору и его прихожанам новые серьезные испытания. Немецкие военные, как рассказывают старожилы-бендерчане, въехали в святой храм на лошадях. Солдаты стреляли по иконам, переворачивали лампады и свечи. До сих пор на некоторых старых образах видны следы от фашистских пуль.

В те суровые годы храму не раз доводилось оказываться в секторах артиллерийских обстрелов. Как последствие одного из таких ударов, в соборе возник сильный пожар, был серьёзно повреждён центральный купол, а также часть стены с фреской «Крещение Господне». Пострадали своды, колокольня и центральный алтарь, а также существенно пострадали внутренние росписи. Иконостас сгорел полностью и утрачен навсегда. Погиб в пожаре и соборный архив, в результате чего пропало огромное количество важной информации о жизни собора и города в довоенные времена.

В 1948 году храм был взят под охрану государства как памятник архитектуры начала XIX века.

Когда после Великой Отечественной войны в Тирасполе и его окрестностях были закрыты все православные церкви, именно в Преображенский собор ездили люди, чтобы получить утешение и духовную поддержку.

2 сентября 1990 года было создано Бендерское викариатство Молдавской митрополии Русской Православной Церкви, в состав которого вошли все церкви южных районов Приднестровья и Преображенский собор. Епископом Бендерским и настоятелем Преображенского собора стал владыка Викентий (Морарь), ныне митрополит Ташкентский и Узбекистанский, который находился во главе Бендерского викариатства по июль 1995 года.

В 90-е годы постепенно начали открываться новые храмы. Священники совершали богослужения, на которые приходило помолиться всё больше людей. Так продолжалось до лета 1992 года, когда власти Молдовы решили захватить Бендеры. Боевые действия в центре города начались вечером 19 июня 1992 года. Военные Молдовы вели обстрел здания Бендерского горисполкома, которое находится рядом с собором.
Спасаясь от очередного обстрела, люди, находившиеся в горисполкоме, перебирались в Преображенский собор. Эти два здания спасали друг друга. Горисполком заслонил собой собор, а церковь прятала выбиравшихся из горисполкома людей.

Активные боевые действия продолжались вплоть до 27 июня. На протяжении всего этого периода священники собора не прекращали совершать службы.
После окончания боевых действий в нашем крае понемногу стало увеличиваться количество церквей. По благословению Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II, Священный Синод Русской Православной Церкви 18 июля 1995 г. решил образовать Дубоссарское викариатство в составе Молдавской митрополии (с 6 октября 1998 года – Тираспольско-Дубоссарская епархия, которое должно было объединить все православные храмы Приднестровья. Во главе викариатства был поставлен епископ Юстиниан (Овчинников), который стал также настоятелем Преображенского собора и пребывал в этой должности до февраля 2010 г. С февраля 2010 г. его настоятелем является протоиерей Иоанн Калмык.