Завоевав Чернигов, князь Мстислав Владимирович заложил в детинце княжескиий дворец и Спасо-Преображенский собор, который достроен при нем не был. Вот как об этом говорит летописное свидетельство из «Повести временных лет»: «В год 6544 (1036) Мстислав вышел на охоту, разболелся и умер. И положили его в церкви святого Спаса, которую сам заложил; были ведь при нем выведены стены ее на высоту, сколько можно, стоя на коне, достать рукою». Т. е. высота стен достигала примерно чуть более 3 метров.
Когда был окончательно достроен собор — неизвестно, скорее всего, уже после присоединения Чернигова к владениям Ярослава Мудрого. Собор стал кафедральным собором Черниговского княжества и епископства, крупнейшего духовного и культурного центра раннехристианской Руси. Здесь будут заключаться важнейшие договоры, оглашаться княжеские указы, и здесь будут черниговцы вымаливать милость Божию.
Собор станет княжеской усыпальницей на многие века. Помимо его ктитора Мстислава Владимировича тут были похоронены его жена Анастасия и сын Евстафий, а позднее князь Святослав Ярославич, а также его сыновья Глеб Святославич (1078) и Олег Святославич (1115). В 1150 г. сюда перенесут мощи убитого (1147 г.) в Киеве князя Игоря Ольговича. Здесь же упокоились герои «Слова о полку Игореве» Всеволод Святославич и Ярослав Всеволодович, а также будут храниться до 1572 г. мощи убитого в Орде черниговского князя Михаила Всеволодовича, перевезенные позднее в Москву.
Архитектурно-пространственное решение Спасского собора было уникальным для своего времени. Подобная планировочная концепция не повторяется ни в одном из известных древнерусских храмов. Собор гармонично совместил романскую трехнефную базилику с крестово-купольной византийской системой. В плане собор представлял собой храм размерами 18 х 27 м, с восемью столбами и украшенный тремя апсидами. Он сразу стал главной доминантой древнего города, сохраняя строгое величие талантливого зодчества.
К восточным углам храма были пристроены небольшие часовни, которые не сохранились. А с севера к западному фасаду была пристроена круглая башня, с винтовой лестницей, по которой поднимались на хоры собора князь со свитой и знатью. Стены собора были выполнены в так называемой «смешанной кладке», в которой наряду с плинфой использовался природный камень, положенные на известковом розовом растворе. Снаружи стены не штукатурились, но украшались орнаментальными узорами, пилястрами из кирпича, создававшими особую торжественность фасадам.
Все пространство собора было украшено беломраморными резными колоннами и многоцветными сюжетными фресковыми росписями, погибшими в пожаре 1756 г. Интерьер отличался строгостью и одновременно торжественностью, которую во многом придавали внутренние двухъярусные аркады, уходящие в подкупольное пространство. Подобные аркады достаточно были редки в Древней Руси. Вдоль них были устроены деревянные настилы северных и южных хор, сгоревшие в середине XVIII в. Пол устилали резные шиферные плитки с мозаичной инкрустацией из разноцветной смальты. Акустика собора, как и всех древнерусских храмов, была изумительной, чему способствовали во множестве заложенные в стены и своды голосники (керамические горшки). Изысканное убранство храма соперничало с первопрестольными киевскими соборами.
Спасо-Преображенский собор сохранил до наших дней свои основные древние конструкции, хотя не раз подвергался основательным изменениям. После нашествия полчищ Батыя в 1239 г. в нем восстанавливались частично разрушенные своды и купола, обновлялись росписи. В XVII столетии были надстроены апсиды, перестроены купола в стиле барокко. Значительные обновления потребовались собору после грандиозного пожара 1750 г.
Тогда в конце XVIII в. была надстроена северная башня с лестницей на хоры, а также возведена на месте разрушенной крестильни южная круглая башня, симметричная левой. В результате реконструкции несколько изменили форму куполов собора, установили на обе башни огромные шпили, что во многом исказило облик древнего храма, а в довершение ко всему все фасады были оштукатурены и побелены. Также внутри собора был установлен новый иконостас, в изысканном барочном стиле, изготовленный нежинскими мастерами С. Волощенко и С. Белопольским по проекту архитектора И. Яснигина. Он и теперь привлекает своей причудливой деревянной резьбой внимание всех входящих в храм. Иконописные работы были выполнены борзнянским священником Т. Мизко. В 1818 г. по проекту архитектора А. Карташевского возле западных, южных и северных порталов были возведены просторные тамбуры, а в конце XIX в. позолочены купола и шпили, после чего собор приобрел современный вид. В настоящее время в соборе можно увидеть сохранившиеся фрагменты древних фресок, резные шиферные парапеты хор и массивные колонны, внутри которых сокрыты первоначальные беломраморные колонны.