В августе 1794 года состоялось торжественное освящение города Одессы, во время которого на Соборной площади было освящено место строительства церкви в честь Николая Чудотворца, а в 1795 году был заложен первый камень. Эта временная церковь и стала прародительницей будущего кафедрального собора. По всему видать не зря тогда же митрополит Гавриил написал, что он
8 февраля 1800 года храм святого Николая был назван соборным. Значительные средства были отпущены императрицей Екатериной II на строительство общественных сооружений в Одессе, в том числе и соборного храма. На его сооружение выделили 24 135 руб. Подрядчики обязались закончить все работы в августе 1797 года. В течение нескольких месяцев они работали и успели возвести сооружение лишь до цоколя. Но вскоре, из-за смерти Екатерины II по приказу Павла I сооружение храма, как и другие строительные работы в Одессе, прекратились. И лишь когда в январе 1803 года градоначальником Одессы был назначен герцог де Ришелье, он сумел добиться ассигнования средств.
Посетивший Одессу в далеком 1810 году князь Долгоруков так описал свое впечатление от увиденного им: «…выстроен прекрасной архитектуры собор… он аналогичен базиликам Европы. Однако нет при нем соответствующей колокольни. Внутри церкви пол выстлан из черного мрамора: в центре разноцветные изразцы дают ему вид мозаического паркета. Приступки между колонн, по коим входят в храм, будут намощены лавой. Она уж выписана и заготовлена. Что может быть в новом вкусе того роскошнее? Жаль, что иконостаса нет хорошего: он писан на ширмах, затянутых холстом, наподобие полковых церквей. Утвари в соборе богатой нет, видно, что заботились о наружной красоте здания для города более, нежели о внутреннем благополучии дома Господня».
Однако с годами внутреннее убранство храма не только гармонировало с внешним видом, но и значительно превосходило его. Известно, что в самом начале ХХ века в соборе было проведено электрическое освещение, которое освещало сооружение не только внутри, но и снаружи, а для лучшей очистки воздуха из Лондона получили специальное вентиляционное оборудование. В 1906 году в храме установили электрическую сигнализацию по плану и по системе механика Стюрановича. Воду в собор провели по городскому водоводу, сооружение также подключили к городской канализации. Основные работы последнего обновления Спасо-Преображенского собора были закончены в 1903 году.
Став одним из крупнейших храмов Российской империи, собор свободно вмещал до 12000 человек одновременно.
Журналист Олег Губарь в своем материале «История Спасо-Преображенского кафедрального собора на Соборной площади (Одесса)» приводит интересные сведения:
«Особое место собора в духовной жизни Одессы и края определилось тем, что здесь хранились высокочтимые народные реликвии: Касперовская чудотворная икона, старинный образ Николая Мирликийского, «Троица» известного живописца Поля Леруа, копии древних корсунских икон, медный крест, отлитый из монет, пожертвованных рядовыми Крымской войны, трофейное турецкое знамя, пожалованное императором…
В кафедральном соборе нашли свое вечное успокоение херсонские архиепископы Иннокентий, Иоанникий, Димитрий, Никанор, генерал-губернатор Новороссийского края и полномочный наместник Бессарабской области светлейший князь М. С. Воронцов и его супруга Елизавета Ксаверьевна.
Мы написали «вечное упокоение», однако погрешили против истины. В 1936 г. собор был взорван, а церковные иерархи и Воронцовы перезахоронены. Старожилы еще помнят «Сталинский мемориал», бетонной броней перекрывший всю западную часть площади собора. Казалось, фундаменты и подвальные этажи храма надежно упрятаны от одесситов и никогда не расскажут о своей трагедии».
Действительно остались многие свидетельства того варварского действа. К примеру, Р. Ципоркис в книге «Храмы и монастыри Одессы и Одесской области» вспоминает: «…Уничтожить собор, как и храм Христа Спасителя в Москве, было весьма трудно, ибо блоки, составлявшие стены собора, были скреплены раствором на яичном желтке и не поддавались расчленению. Чтобы взорвать огромное здание, было принято решение: взорвать колокольню с тем, чтобы она упала на собор и разрушила его. Расчёт удался».
Из каменных остатков собора через год построили школу, а на месте храма появился фонтан – та самая чаша Филатова…