Собор заложен в 1771 году с благословения епископа Тобольского Варлаама. Строительством руководил настоятельУспенского Далматовского монастыря игумен Адам Аркудинский. Строительство собора велось в два этапа: конец XVIII века — строятся здания храмов, в 1820—1821 годы — колокольня.

Архитектурный ансамбль собора, состоящий из главного храма, апсиды, двухпридельного храма и колокольни (ныне утраченной), искусствоведы относят к «украинскому» барокко не без влияния русской архитектуры.

В первой половине XIX века к собору с запада была пристроена колокольня. Колокольня представляла собой крупный трехъярусный объем, шпилевое завершение которого несло черты высокого классицизма.

В третьей четверти XIX века северной и южной стороны колокольни были пристроены две комнаты для размещения в них ризницы и помещения для сторожей, при этом паперть, находящаяся с западной стороны колокольни, была обращена впритвор.

В 1903 году к северной и южной стороне этого притвора были возведены: каменные пристрой для канцелярии, архив, библиотеки и ризницы и выстроен портик главного (западного) входа, который к тому же выполнял функции паперти.

В 1867 году профессор живописи Е.С. Сорокин по рекомендации Ф.А. Бронникова выполнил живопись для иконостаса собора. Были написаны десять образов. Эта работа велась по поручению шадринского купца А.Г. Шишкина. Резьбаиконостаса отличалась большой пышностью.

В 1889 году художник Павел Никулин изобразил во впадинах стен угодников Божьих, расписал колонны в цвет мрамора. В этом же году на средства купца М. Соснина были выполнены иконостасы придельных алтарей. Иконы нижнего ряда этих иконостасов были одеты в серебряные позолоченные с камнями ризы. Пожертвованы они были богатыми купцами Шадринска Сосниным и Жиряковым.

В 1907 году московский художник В. И. Звездин выполнил живописные работы внутри главного купола. Окрестные храму улицы Шадринска были названы в честьцерковных престолов: Преображенская, Михайловская, Петропавловская.

С 1929 по 1970 годы собор претерпел значительные изменения: были разрушены колокольня, порталы и главного и боковых входов, ограждение и часовни собора. В то же время наружные стены боковых пристроев и притвора были надстроены до уровня карниза трапезной, вследствие чего изменялась и конструкция крыши входной группы собора.