В 1344−59 годах в соборе были установлены позолоченные медные врата, а полы были выстланы цветными майоликовыми плитками. В 1382 году Великий князь Михаил Александрович Тверской покрыл золотом купол собора, после чего храм часто именуется в летописях как «Святой Спас Златоверхий».
С 1289 года Спасо-Преображенский собор становится усыпальницей. Первым находит упокоение в храме епископ Симеон.

В последующие годы в храме были погребены мощи Святого князя Михаила Ярославича, его матери княгини Ксении и Великого князя Михаила Александровича, которые почитались в Твери как местночтимые святые, а также 12 князей и княгинь тверского княжеского дома и 14 тверских владык.
В годы польско-литовского нашествия в начале XVII века древний Спас был разобран, а на его месте был отстроен новый, второй Спасо-Преображенский Собор.

В 1748–1755 годах к юго-западу от Спаса была воздвигнута трехъярусная колокольня. В середине XIX века на колоколе был установлен колокол весом более 1000 пудов (16 тонн), звук которого был слышен в любой точке города. На колокольне, чуть ниже купола, находились часы с четырьмя циферблатами, смотрящими на все стороны света. Циферблаты, диаметром около двух метров каждый, были окрашены в темно-синий цвет, на фоне которого ярко выделялись позолоченные цифры и стрелки.
В соборе было два престола: главный Преображения Господня и придельный правый Введения во храм Пресвятой Богородицы.

В начале XX века храм, величественный снаружи, представлял собой великолепное зрелище и внутри — в нем был старинный иконостас XVII века, многочисленные иконы тверского письма, старинные богослужебные книги и церковная утварь, картины, фрески и иконы художников Орлова, Мягкова, Колокольникова. В 1902 году в соборе была установлена новая рака с мощами благоверного князя Михаила Тверского. Украшением храма был и его хор, регентом которого являлся А.В. Александров, ставший позднее основателем и руководителем ансамбля песни и пляски Советской Армии и автором гимна СССР.

Сам собор «Святого Спаса» был взорван в ночь с 3 на 4 апреля 1935 года. Тёсаные камни от стен собора употребили на кладку цоколя ограды набережной Волги в городском саду, а битый кирпич вперемешку с костями-останками похороненных в соборе тверских князей и владык-пошли на засыпку съезда от Советской улицы к бывшему плашкоутному мосту (углубления в Городском саду).

Спустя два года после уничтожения собора на его месте был разбит сквер с бетонной скульптурой Сталина и Ленина посередине. В октябре 1941 года здесь было устроено немецкое кладбище, которое было ликвидировано после освобождения города. После войны сквер был восстановлен, а посреди него был воздвигнут памятник Калинину.

15 сентября 2021 года Тверская епархия торжественно отметила 750-летие со времени своего основания. Центром празднования юбилейной даты стала Божественная литургия в возрождающемся Спасо-Преображенском соборе на Соборной площади Твери — храме, который был основан первым Тверским епископом Симеоном и семь веков был кафедральным собором епархии. Богослужение совершили митрополит Тверской и Кашинский Амвросий, митрополит Виктор (Олейник), епископ Ржевский и Торопецкий Адриан, епископ Бежецкий и Весьегонский Филарет.

В ноябре 2023 г. в храме был установлен иконостас, а 05.12.2023 г. перед собором была открыта скульптурная композиция, изображающая получение юным Михаилом Ярославичем у епископа Симеона благословение на постройку храма.

С 31.12.2023 г. в соборе ежедневно совершаются службы. В ночь с 4 на 5 мая 2024 г. состоялась первая, после векового перерыва, пасхальная Литургия, которую возглавил митрополит Амвросий (Ермаков).