Від 1990 до середини грудня 2018 року був катедральним собором Вінницької єпархії Української Православної Церкви Московського патріархату. З грудня 2018 року перебуває під юрисдикцією
Православної церкви України. Будівля розташована в історичному центрі міста, серед комплексу ранньомодерних фортифікаційних споруд Мури, які складалися з монастирів єзуїтів, домініканців і капуцинів. Є яскравим зразком культури ягеллонської Центрально-Східної Європи.
Цегляний храм у стилі бароко збудований оо. Домініканами в 1779 році замість дерев'яного домініканського костелу, збудованого в 1624. До Вінниці отці Домінікани повернулись з Черленкова спустошеного татарами, де вони оселились ще у 1648 році після зруйнування козаками домініканського монастиря у Вінниці і збудували в Черленкові монастир разом з греко-католицьким орденом отців Василіанів, що прийшли з Почаєва.
У 1817 році царська влада закрила домініканський монастир і передала приміщення православним.Першу православну соборну церкву міста назвали на честь св. Козьми й Даміана. Її побудували у XVI ст., коли Вінниця була лише невеликою фортецею. Церква розташовувалась на південному боці сучасної вулиці Монастирської і довгий час співіснувала поруч з монастирем та костелом домініканців.
Лише у 1832 році після ліквідації домініканського кляштору її перевели зі старого дерев'яного приміщення в приміщення костелу та перейменували на Преображенський собор. Касата домініканського кляштору у Вінниці була здійснена владою Російської імперії під приводом покарання поляків за участь у листопадовому повстанні, справжньою ж причиною було бажання російської влади очистити ці землі від католицизму.
Так на литовських, білоруських та українських землях до 1832 року існувало 322 монастирі, з яких у 1832 році указом Миколи І російська влада закрила 194 монастирі, залишивши 128. Зокрема на території Волинської, Подільської та Київської губерній були скасовані 49 монастирів, які утримували за свій кошт парафіяльні школи, з них 16 на Поділлі. Зачинені парафіяльні школи були замінені значно меншою кількістю світських шкіл лише через декілька десятиліть.