Собор возводился на месте разрушенной в 1771 году Василианской церкви в период с 1866 по 1874 год архитекторами К.К.Рохау, Э.Жибером и В.Г.Шаламовым. В связи со сложностью возведения в строительстве принимали участие специалисты, работавшие в 1818-1858 годах в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге. Настенное художественное оформление и иконы принадлежат кисти академика художеств Михаила Васильева.
Собор выдержан в русско-византийском стиле с характерными чертами древнерусской архитектуры XI-XII веков. Постройка сделана из кирпича. Храм крестовой формы, трёхнефный, пятикупольный с шатрообразными завершениями. Четырёхъярусная колокольня, примыкающая к западному фасаду. Высота собора составляет 53 метра. На колокольне установлен главный колокол весом в 500 пудов. В оформлении внутренних помещений храма использовались граниты и лабрадориты Волыни и Житомирщины.
Житомирский Свято-Преображенский кафедральный собор является памятником архитектуры и охраняется государством.