В годы польско-литовского нашествия в начале XVII века древний Спас был разобран, а на его месте был отстроен новый, второй Спасо-Преображенский Собор.

Второй Спасо-Преображенский собор был выстроен из старицкого камня в 1689—1696 годах и практически в неизменном виде простоял до момента своего разрушения. Образцом для строительства этого храма послужил пятиглавый Успенский Собор московского кремля. В 1748—1755 к юго-западу от Спаса была воздвигнута трехъярусная колокольня. В середине XIX века на колоколе был установлен колокол весом более 1000 пудов (16 тонн) звук которого был слышен в любой точке города. На колокольне, чуть ниже купола находились часы с четырьмя циферблатами, смотрящими на все стороны света. Циферблаты, диаметром около двух метров каждый, были окрашены в темно-синий цвет, на фоне которого ярко выделялись позолоченные цифры и стрелки.

В соборе было два престола: главный Преображения Господня, придельный правый Введения во храм Пресвятой Богородицы.

В начале XX века храм, величественный снаружи, представлял собой великолепное зрелище и внутри — в нем был старинный иконостас XVII века, многочисленные иконы тверского письма, старинные богослужебные книги и церковная утварь, картины, фрески и иконы художников Орлова, Мягкова, Колокольникова. В 1902 году в соборе была установлена новая рака с мощами благоверного князя Михаила Тверского. Украшением храма был и его хор, регентом которого являлся А. В. Александров, ставший позднее основателем и руководителем ансамбля песни и пляски Советской Армии и автором гимна СССР.

В 1934 году по распоряжению советских властей Спасо-Преображенский собор начали последовательно уничтожать. Рака с мощами Святого Михаила Тверского, уцелевшие иконы, картины и церковная утварь оказались в запасниках тверского музея. Затем планомерно, ярус за ярусом, была разрушена колокольня. Были сброшены кресты, разобраны и увезены в неизвестном направлении часы, разбиты колокола, в том числе и знаменитый 1000 пудовый.

Сам собор «Святого Спаса» был взорван в ночь с 3 на 4 апреля 1935 года. Тесаные камни от стен собора употребили на кладку цоколя ограды набережной Волги в городском саду, а битый кирпич вперемешку с костями—останками похороненных в соборе тверских князей и владык—пошли на засыпку съезда от Советской улицы к бывшему плашкоутному мосту (углубления в Городском саду).

Спустя два года после уничтожения собора на его месте был разбит сквер с бетонной скульптурой Сталина и Ленина посередине. В октябре 1941 года здесь было устроено немецкое кладбище, которое было ликвидировано после освобождения города. После войны сквер был востановлен, а посреди него был воздвигнут памятник Калинину.

В 1992 году группа археологов под руководством В. А. Булкина (СПб университет), П. Д. Малыгина (ТГУ) и А. М. Салимова провела архитектурно-археологические раскопки на месте Спасо-Преображенского собора. В ходе исследований были найдены остатки фундамента собора и определено его точное месторасположение. В 1994 году вышла в свет книга А. М. Салимова «Тверской Спасо-Преображенский собор» в которой были опубликованы сохранившиеся чертежи и документы, связанные с храмом. Таким образом, на данный момент существует достаточно серьезная документальная и научная база для начала работ по восстановлению Спасо-Преображенского собора.

В 2002 году был зарегистрирован приход Спасо-Преображенского собора.

18 июля 2021 года, в праздник всех Тверских святых, в восстанавливающемся Спасо-Преображенском, будущем кафедральном соборе Тверской епархии митрополит Тверской и Кашинский Амвросий совершил Божественную литургию.