Спасо-Преображенский собор — самое значительное сооружение кремлевского ансамбля — воздвигнут в 1713 году на месте разобранного древнего храма. В его облике воплотились черты, характерные для переходной эпохи русской архитектуры. Кубический объем храма, аркатурный пояс на барабанах глав выдержаны в традициях древнерусского зодчества. Вместе с тем, наличники с разорванными сандриками и тонкие колонки, расчленяющие стену фасада, свидетельствует об использовании приемов более позднего нарышкинского барокко. Классические портики над южным и северным входами сооружены в 1840 году.

Рядом с собором возвышается тридцатисемиметровая вертикаль колокольни (1730 г.) с золоченой главой, издалека сияющей в кронах деревьев приволжского бульвара. Трехъярусная композиция из убывающих восьмериков — одна из особенностей нарышкинского барокко, а форма завершения в виде чаши — характерная деталь XIX века, ветречающаяся в памятниках Верхнего Поволжья. В 1984 году специалисты Угличского часового завода установили на колокольне электрические часы. Теперь каждые полчаса город слышит мелодичные перезвоны часовых колоколов. Старый механизм собран и законсервирован на ярусе звона.

Необычен интерьер Спасо-Преображенского собора. Большой квадратный зал со стороной 14 метров перекрыт легким сомкнутым сводом без опорных столбов. Такая конструкция — незаурядное инженерное достижение мастеров XVIII века.

Расписывала собор в 1810-1811 годах артель «знаменитого по епархии живописца» Тимофея Медведева, происходившего из села Тейкова Владимирской губернии. Художники хорошо владели приемами академического письма, хотя их творчество не лишено оттенка провинциализма. На широких плоскостях стен и сводов размещается более пятидесяти композиций, выполненных по образцам европейских мастеров позднего Возрождения и барокко. Их сюжеты, почерпнутые из Евангелий, повествуют о земной жизни и чудесах Иисуса Христа. Храмовая фреска «Преображение» является копией с работы Рафаэля.

Грандиозный шестиярусный иконостас установлен в 1860 году. В его оформлении использованы барочные мотивы. Оплетенные вьющейся лозой колонны с витыми фустами и композитными капителями, сильно выступающие карнизы составляют обрамление икон, расположенных в каноническом порядке, представляющем иерархию небесной церкви. Иконостас символизирует ее присутствие в храме и моление о спасении членов церкви земной.

Нижний, местный ряд включает в себя иконы святых, почитавшихся в Угличе и в самом соборе. Среди них — царевич Дмитрий, князь Роман, преподобный Кассиан Учемский. Самая древняя из помещенных здесь икон — «Покров Пресвятой Богородицы» — относится к ярославской школе иконописи XVII века. Влияние костромских мастеров ощущается в монументальных линиях храмового «Преображения» XVII века. Иконы Спасателя и Богоматери по сторонам Царских врат темным колоритом и золочеными лепными фонами напоминают произведения украинского барокко XVII века. Они попали в собор на рубеже XVII—XVIII веков, когда кафедру Ростовской епархии, куда входил Углич, занимали митрополиты-малороссы Иосаф и Дмитрий.

Следующий в иконостасе — праздничный чин. Здесь помещены иконы главных двунадесятых церковных праздников. Третий — апостольский, с изображением Деисуса и обращенных к Христу в молитве апостолов. Затем следует пророческий чин с иконами ветхозаветных пророков, царей и законоучителей. Пятый ряд включает в себя изображения двенадцати праотцев. Наконец, самый верхний ряд, установленный позднее, составляют картины Страстей Христовых с «Распятием» в центре.

Основная часть иконостаса выполнена в XVIII веке видным московским мастером Ф. Рожновым. Несмотря на уход великих традиций русской иконописи, они являют собой отзвук блестящего искусства мастеров Оружейной палаты предшествующего периода.

В северо-западном углу собора находится открытый археологами фрагмент белокаменного контрфорса, подпиравшего стену древнего храма. На нем заметен темный след «польского» пожара начала XVII века. Он позволяет наглядно представить одну из страниц истории города.

В северном приделе и на западной паперти собора располагается экспозиция древнерусского искусства. Здесь представлено более пятидесяти произведений иконописи XV- начала XVIII века, различных школ и направлений, в русле которых развивалось искусство Углича.