После основания в 1709 году Осередской крепости (так первоначально именовался город), в 1711 году сюда был переведен гарнизон крепости в честь апостола Павла на реке Миус, что под Таганрогом. И крепость на Осереди была переименована в Новопавловскую, а затем наименована Павловском. В тот же год был построен из дерева собор в честь апостолов Петра и Павла, освященный архиепископом Воронежским Арсением в 1712 году.
Павловск имел особый статус базы русского флота, форпоста на юге России. Город неоднократно посещал царь Петр, высшие государственные чиновники, а церкви были подчинены не епархии, а напрямую Патриаршему приказу. В 1711 году государь передал в дар городу уникальную, на морской раковине, именную чудотворную икону Знамения Божией Матери, именуемую «Павловская», пребывавшую в соборе. Г.Павловск – единственный в Воронежской области, имеющий свою именную икону Пресвятой Богородицы. В настоящее время Павловская икона на морской раковине восстановлена по описанию и пребывает до времени в Покровском храме. В собор Петром I было подарено 37 различных церковных вещей и одеяний: ризы, стихари, подризники, епитрахили, пояса, поручи, орари. Среди местных краеведов распространено мнение, что по статусу собора, в нем мог короноваться и венчаться император – как запасном святом месте для столичных соборов, в особых случаях.
В конце XVIII века (с 1793 по 1796г.) в Павловске жил и служил настоятелем Преображенского собора и благочинным Павловского округа протоиерей Евфимий (в монашестве Евгений) Болховитинов – впоследствии митрополит Киевский и Галицкий, выдающийся русский историк, основоположник отечественного краеведения. В 1770 году в Павловск был прислан для службы в чине лейтенанта будущий адмирал Федор Ушаков – причисленный церковью к лику святых, небесный покровитель русских моряков.
Нынешний собор в честь праздника Преображения Господня, возведенный в камне и освященный в 1786 году, является духовным правопреемником исторического собора, построенного при Петре I. Собор имел приделы в честь Преображения Господня (главный придел), апостолов Петра и Павла, который был переименован в честь иконы Знамения Матери Божией, именуемой «Павловская» в 1855 году, святителей Воронежских Митрофана и Тихона. Пределы были освящены 4 декабря 1782 года и 7 июля 1786 года.
Уникальна колокольня собора. В 1799 году она была сооружена из камня. На нее был поднят главный соборный колокол из г.Азов весом 1 тонна 848 кг, переданный павловскому собору в в 1711 году. Кроме большого колокола, были привезены и восемь других соборных колоколов меньших по весу. Впоследствии высоту колокольни увеличили до 30 метров, на нее установили башенные часы, во многом благодаря которым колокольню не стали разбирать в годы репрессий.