Спасо-Преображенский кафедральный собор г. Твери был заложен в 1285 г. св. блгв. князем Михаилом Ярославичем, его матерью княгиней Ксенией Юрьевной и первым тверским епископом Симеоном. Каменный четырехстолпный одноглавый храм был поставлен на месте деревянной Космодемьяновской церкви и выдержан во владимиро-суздальской традиции зодчества. Чин малого освящения совершён в 1287 г. епископом Симеоном, великое освящение совершил епископ Андрей в 1290 г., но отделочные работы продолжались до 1292 г. Считается, что данный собор стал первым каменным храмом, возведенным в Северо-Восточной Руси после монголо-татарского нашествия.
Собор стал традиционным местом венчания тверских правителей, и эту традицию заложили в 1294 г. Михаил Тверской и Анна Кашинская. Собор стал местом упокоения тверских князей, княгинь и архиереев, здесь был поставлен на тверскую кафедру целый ряд епископов.
В XIV в. собор имел три престола, освященных в честь Преображения Господня, Введения во храм Пресвятой Богородицы и св. Димитрия; в последующие столетия посвящения приделов (а, возможно, и их количество) менялось.
В 1328 г. храм был разграблен в ходе разорения Твери Федорчуковой ратью. В 1339 г. князь Иван Калита вывез соборный колокол в Москву. Масштабное обновление собора происходило при епископе Феодоре II Добром (1342-1361 гг.) и великом князе Михаиле Александровиче. В конце XIV в. купол был покрыт золотом, после чего собор стал именоваться «Спасом Златоверхим».
На рубеже XIII–XIV вв. или в начале XIV в. храм получил каменную колокольню, но в 1407 г. была заложена новая колокольня, внутри которой находился храм в честь св. Иоанна Милостивого. В 1485 г. после взятия Твери Иваном III в соборе состоялось принесение присяги тверских бояр московскому князю. В 1546 г. храм посетил Иван IV Васильевич. В Средневековье храм регулярно страдал от пожаров (самые разрушительные – 1537, 1636, 1661 гг.).
В годы Смуты храм сильно пострадал, и временно функции кафедральной церкви выполняла церковь «Белая Троица». В 1620-е гг. в соборе были проведены ремонтные работы по укреплению конструкций, однако вскоре он потребовал полной перестройки или капитального ремонта. На пожертвования царя Михаила Фёдоровича в 1634–1635 гг. был проведён капитальный ремонт (или полная перестройка) храма, в 1635 г. состоялось освящение собора. В это время мощи святого князя Михаила Тверского были подняты из земли и поставлены для открытого поклонения.
В XVII в. была сооружена деревянная шатровая колокольня, а в последней трети столетия – каменная колокольня с церковью Иоанна Милостивого и башенными часами. В конце XVII в. из-за последствий пожара 1661 г. или строительных ошибок, допущенных в 1634-1635 гг., потребовалась полная перестройка храма.
Новый пятиглавый храм был возведён в 1689–1696 гг. на средства тверского архиепископа Сергия (Валтухова/Велтахова) по образцу Успенского собора Московского Кремля. 18 мая 1696 г. архиепископ Сергий (Валтухов/Велтахов) освятил собор; в 1704 г. ктитор был в нём погребён.
Храм имел три престола, освященных в честь Преображения Господня, Введения во храм Пресвятой Богородицы и св. Михаила Тверского (последний упразднён и обращен в ризницу в 1715–1716 гг.). Храм имел пятиярусный иконостас (высота икон составляла до 4,5 м), чугунные полы и кованые железные двери.
В 1736 г. собор серьёзно пострадал от пожара, а колокольня потребовала перестройки: в 1740–1760-е гг. была возведена трёхъярусная колокольня с храмом в честь св. Иоанна Милостивого (позже упразднён, в помещении разместилась часть библиотеки Тверской духовной семинарии).
Архиепископ Платон (Левшин) на личные средства отремонтировал храм и заново его освятил в 1774 г. В 1844–1847 гг. в соборе были устроены амосовские печи, а вокруг столпов размещены картины И. П. Орлова, изображавшие последние мгновения жизни Михаила Тверского. В середине XIX в. здание было капитально отремонтировано: появилась новая паперть, перестроена «ризничная палатка», обновлена и дополнена настенная роспись, на колокольне появились новые башенные часы и колокол в 1025 пудов. В 1867 г. в память о спасении Александра II в ходе покушения Д. Каракозова 04.04.1866 г. на пожертвования тверичей устроен мраморный киот с иконой.
18 мая 1896 г. в Твери широко отмечалось 200-летие кафедрального собора. К этому дню была напечатана брошюра Н. Н. Овсянникова с изложением истории «Спаса Златоверхого», а на могиле архиепископа Сергия (Валтухова/Велтахова) установлена бронзовая позолоченная доска.
В 1903 г. над соборной папертью был надстроен ещё один этаж, в котором расположилась ризница, после чего появилась возможность восстановить придел св. Михаила Тверского. На фасаде надстройки в 1905–1908 гг. были размещены три большие керамические иконы. В память об убийстве 25.03.1906 г. террористом тверского губернатора П. А. Слепцова юго-восточнее храма была возведена небольшая каменная часовня, которая в 1913 г. была освящена в честь Всех тверских святых.
Дореволюционный облик собора и элементы его интерьера были зафиксированы в ряде фотографий, среди них особняком стоят цветные снимки С. М. Прокудина-Горского (1910 г.).
Находящийся между двух столиц собор посещали почти все русские государи и члены императорской фамилии (Екатерина II, Николай I, Александр II, вел. кн. Екатерина Павловна и др.). На протяжении XVIII – начала XX в. собор оставался местом упокоения тверских архиереев.
В 1884 г. при кафедральном соборе было создано братство св. блгв. князя Михаила Тверского, его главной целью стало религиозно-нравственное просвещение народа; в 1915 г. общество получило статус епархиального.
В 1906 г. в Тверь переехал А. В. Александров – выдающийся хоровой дирижер, композитор и педагог, который по конкурсу был избран регентом кафедрального собора. Репертуар хора в период управления им А. В. Александровым был широк и, среди прочего, включал песнопения авторов конца XIX – начала XX вв. Под руководством А. В. Александрова хор также вёл концертную деятельность. В Твери им были написаны «Свете тихий» и «От юности моея». В 1917–1918 гг. А. В. Александров переехал в Москву.
В 1923 г. Спасо-Преображенский собор был передан обновленцам; в 1932 г. они отказались от его дальнейшего использования, после чего он был закрыт, а все ценности были переданы в музей.
Из-за того, что собор якобы мешал движению городского транспорта, началась его подготовка к сносу. Перед уничтожением храм был обмерен московскими архитекторами-реставраторами. В ночь с 3 на 4 апреля 1935 г. собор был взорван, после чего его камень был использован для обустройства городской набережной и засыпки съезда к Волге, холм, на котором стоял собор – срезан, а Соборная площадь обращена в сквер со скульптурной композицией «Ленин и Сталин в Горках» (1937 г.) и переименована в «Площадь Революции» (1941 г.). Немцы в период оккупации на месте сквера обустроили кладбище.
В начале 1950-х гг. площадь Революции была заново обустроена, а в 1955 г. на ней был установлен памятник М. И. Калинину.
В 1992 г. на площади Революции учеными из Москвы, Санкт-Петербурга и Твери были проведены археологические раскопки на площади 32 м2, что позволило определить степень сохранности остатков храма и уточнить их локализацию.
В 1999 г. на месте бывшего соборного алтаря был установлен поклонный крест, в 2002 г. рядом с ним появился памятный камень. В 2003 г. был зарегистрирован благотворительный фонд «Собор». В 2007–2008 гг. рядом с местом, где прежде находился собор, была построена деревянная часовня в честь Всех тверских святых. В 2010 г. площади было возвращено историческое название «Соборная».
В 2012–2014 гг. ИА РАН были проведены масштабные археологические раскопки, после которых началось воссоздание храма.
15.05.2015 г. митрополит Виктор (Олейник) совершил чин закладки храма.
Активное и деятельное участие в восстановлении собора принял Губернатор Тверской области Игорь Руденя.
05.12.2018 г., в день 700-летия мученической кончины Михаила Тверского, митрополитом Саввой (Михеевым) в кафедральном соборе была отслужена первая Литургия, а в Тверской областной картинной галерее открылась выставка «Дом святого Спаса», подготовленная совместно с Тверским государственным объединенным музеем.
В 2018–2019 гг. археологические раскопки были продолжены (преимущественно – в месте нахождения колокольни XVIII в.), а в январе 2019 г. был заложен фундамент новой колокольни. В 2019 г. на соборе были установлены купола и кресты.
В 2021 г. в соборе проходили торжества, связанные с 750-летием Тверской епархии.
В ноябре 2023 г. в храме был установлен иконостас, а 05.12.2023 г. перед собором была открыта скульптурная композиция, изображающая получение юным Михаилом Ярославичем у епископа Симеона благословение на постройку храма.
С 31.12.2023 г. в соборе ежедневно совершаются службы. В ночь с 4 на 5 мая 2024 г. состоялась первая, после векового перерыва, пасхальная Литургия, которую возглавил митрополит Тверской и Кашинский Амвросий.
12.06.2024 г. из Воскресенского собора г. Твери в восстановленный Спасо-Преображенский кафедральный собор в исторической раке XVIII в. была торжественно перенесена часть мощей святого князя Михаила Тверского. Ковчег со святыней вернул Тверской области Патриарх Московский и всея Руси Кирилл 4 декабря 2018 года.
