Во второй половине XVII века (1668-1670-е гг.) на территории Белозерского кремля возводится Спасо-Преображенский собор. Большой, несколько вросший в землю четверик венчают пять мощных луковичных глав на световых барабанах. С востока примыкает трехапсидный алтарь. Массивные стены очень скупо декорированы – пилястры членят плоскость стены на три прясла. На этом фоне выделяются перспективные порталы, явно тяготеющие к XVI веку. Стены органично переходят в полуциркульные закомары. Пышно декорированы барабаны: маленькие округлые кокошники у основания, аркатурный пояс, орнаментальная кирпичная кладка – все говорит о стиле «узорочье», получившем распространение в XVII веке.
Храм не дошел до наших дней в первоначальном виде. В конце XVIII - начале XIX века позакомарное покрытие было переделано на четырехскатное и расширены оконные проёмы, тогда же был пристроен притвор.
Интерьер представлен уникальным иконостасом (конец XVIII - начало XIX вв.), обильно украшенным золочёной деревянной резьбой и полихромной скульптурой.
До 60-х годов XX века в Белозерском кремле размещался ансамбль соборных храмов: Спасо-Преображенский собор, где службы проводились летом, зимняя церковь Василия Великого и колокольня. Соборный комплекс был обнесен кирпичной стеной с небольшой башенкой в северо-восточном углу. Зимний храм вместе с колокольней был разобран.