Будівництво Спасо-Преображенського собору у місті Біла Церква пов’язано з іменем православної поміщиці Олександри Василівни Браницької. На схилі літ «графиня-храмоздательница», як її називають архівні документи, дала обітницю спорудити 12 православних храмів.

До спорудження Преображенського храму мала відношення і ще одна відома на той час особа – митрополит Київський і Галицький Євгеній (Болховітінов). На його ім’я у 1833 р. надійшло звернення повіреного О. Браницької, в якому графиня просила благословення на будівництво кам’яного храму в Білій Церкві. Згідно поданого прохання, у храмі мало бути три престоли: головний – на честь Спасителя, а два інших – на честь святителя Миколая та благовірного князя Олександра Невського. Церкву графиня бралася побудувати виключно за власні кошти.
Архієрейська резолюція на прохання була накладена майже відразу і мала незвично лаконічну форму: ”Заготовить храмоздательную грамоту”. Разом з цим, благочинному священику з с. Гребінок Євстафію Дурдуковському було видано розпорядження “соборне по чиноположению освятить место для храма”. І весною 1833 р. о. Євстафієм було освячено місце на Соборному майдані, а після цього розпочато будівельні роботи.

Будівництво храму тривало шість років – як для того часу, це зовсім незначний термін. Швидкість спорудження, очевидно, залежала від того, що воно відбувалося на очах у графині-меценатки і було в основному завершено ще за її життя.
Новозбудований Спасо-Преображенський храм було освячено 24 вересня 1839 р. митрополитом Київським і Галицьким Філаретом (Амфітеатровим).
Одним із найвідоміших настоятелів Спасо-Преображенського храму з 1851 по 1860 рік був протоієрей Петро Гаврилович Лебединцев. Священнослужитель був знаним на всю Росію вченим-істориком, етнографом, краєзнавцем, членом багатьох наукових товариств, засновником часописів і навчальних закладів, автором багатьох проектів реформ церковного життя на Київщині. За плідну діяльність о. Петро мав найбільше нагород серед священиків Київщини XIX ст. Нагороджений кількома державними орденами – св. Анни III та II ступенів, св. Володимира IV ступеня. Він листувався зі вселенськими патріархами, отримував нагороди від іноземних королів.
Протоієрей Петро Лебединцев, будучи настоятелем Преображенського храму, став засновником першої в Російській імперії мережі парафіяльних шкіл, та доклав чимало зусиль для процвітання ввіреного йому храму.
Згідно майнового опису 1852 р., Преображенський храм був найбагатшим у Надроссі в плані забезпечення церковними речами. У ньому знаходилося 93 ікони, 18 Євангелій, 51 лампада, 24 підсвічники, 16 аналоїв, 16 потирів, 8 дискосів, 9 звіздиць, 11 напрестольних хрестів, 8 кадил, 6 гробниць, 4 дароносці, 6 ковшиків, 3 плащаниці та багато іншого. Найбільшою святинею Преображенської церкви була частка Животворящого Хреста.
У храмі знаходилося і багато богослужбових книг, деякі з них були цінними зразками стародавнього друкарського мистецтва. Так, у 1852 р. тут зберігалося Євангеліє, видане у Вільно в 1600 р.; Євангеліє в червоному оксамиті у срібній визолоченій оправі, видане у Львові в 1636 р. і подароване наступного року Павлом Шкридловичем одному з храмів.
Коли в Преображенський парафії не ставало настоятеля, то київським митрополитам доводилося певний час вибирати найдостойнішого пастиря серед багатьох бажаючих для єдиного в митрополії першокласного храму. Саме в такі “перехідні” часи благоустрій Преображенської церкви дещо занепадав.
Коли в Преображенський парафії не ставало настоятеля, то київським митрополитам доводилося певний час вибирати найдостойнішого пастиря серед багатьох бажаючих для єдиного в митрополії першокласного храму. Саме в такі “перехідні” часи благоустрій Преображенської церкви дещо занепадав.
Недоліком храму довгий час залишалося те, що у ньому було дуже холодно взимку. Настоятель о. Федір Ганкевич повідомив митрополиту, що в Преображенській церкві “стены в зимнее время делаются чрезвычайно холодними, от них-то, а еще более от сквозного ветра, проникающего чрез окна и двери, в этой церкви бывает так холодно, что прихожане в зимнее время с трудностию посещают ее во время богослужений, а  интеллигентные из них даже редко в церкви во время холода бывают”.
Відповідно, у 1884-1887 р. розгорнулася робота по встановленню в храмі подвійних вікон і дверей, які були зроблені “прочно и красиво”, а на початку XX ст. в Преображенський церкві були встановлені ще й калориферні обігрівачі.
Практично кожен настоятель Преображенської церкви залишив по собі спадщину добрих справ, що примножували добробут білоцерківської святині.
Радянський режим приніс до храму Преображення Господнього “мерзость запустения”. За часи комуністичного режиму чимало святинь ставали в кращому випадку музейними експонатами, а в гіршому – предметом переплавки і продажу для покриття більшовицьких “перегинів” у політиці. З храму на смітник було викинуто поховання графині Олександри Василівни Браницької – засновниці цієї церкви. Було конфісковано і земельні володіння храму (143 десятини), які були найбільшими серед церковних наділів Надросся.
У 1922 р. з Преображенського собору були вилучені (нібито на потреби голодуючих) всі богослужбові речі, вироблені з дорогоцінних металів.
Собор було зачинено. Пізніше в ньому відкрили архів НКВС. Силові структури приступили до фізичного винищення духовенства: у 1938 р. в Білій Церкві серед цілого ряду пастирів було розстріляно і о. Олександра Рудського, який довгий час був настоятелем Преображенського храму.
На початку Великої Вітчизняної собор був понівечений бомбардуванням: згоріли архівні матеріали, але могутні стіни споруди витримали натиск вогню. В часи війни собор став діяти, однак, після передачі його новоствореній УАПЦ, мирян сюди навідувалося небагато.
У 1944 р., вже після деякого пом’якшення атеїстичного терору в роки війни, віруючі міста зуміли повернути святиню Православній Церкві. Парафіяльний храм діяв до 1962 р.
В подальшому атеїстична влада, вдавано піклуючись про безпеку віруючих, знову закрила собор під приводом нібито аварійності приміщення. Незважаючи на статус пам’ятки архітектури, храм у 70-х рр. XXст. було віддано Білоцерківському ДСТ “Авангард”, який влаштував у святині боксерську залу. Лише в липні 1989 р. Преображенський храм було повернуто православним християнам міста.
Настоятелем храму було призначено протоієрея Іллю Кравченка, який розпочав реставрацію занедбаного приміщення собору.
З 1994 року храм став головною святинею новоутвореної Білоцерківської єпархії – Спасо-Преображенським кафедральним собором.
Першим єпископом на Білоцерківську кафедру було призначено Преосвященнішого єпископа Серафима (Залізницього), під керівництвом якого храм повністю відродився: проведено зовнішній та внутрішній ремонти, встановлено новий іконостас, зроблено настінні розписи храму.
Другим Білоцерківським єпископом з 2007 по 2012 рр. був Високопреосвященніший архієпископ Митрофан (Юрчук), під керівництвом якого продовжувалося оздоблення Спасо-Преображенського кафедрального собору. У храмі встановлено систему озвучення, оновлено приділ на честь преподобного Серафима Саровського, закуплено нове церковне начиння, реконструйовано соборну ризницю, облагороджено церковне подвір’я.

З 20 липня 2012 року рішенням Священного Синоду УПЦ (журнал№66) на Білоцерківську кафедру призначений Високопреосвященніший архієпископ Августин (Маркевич).

23 листопада 2013 р. Високопреосвященніший архієпископ Августин возведений у сан митрополита.

Під керівництвом Високопреосвященнішого митрополита Августина (Маркевича) і до нині продовжується відродження центрального храму єпархії – Спасо-Преображенського кафедрального собору.
Собор переживає часи свого розквіту.