Cпорудження другої (після Успенської) церкви для львівського середмістя почалось у 1874 року за другим проектом храму, розробленим Сильвестром Гавришкевичем, на основі збережених мурів колишнього костелу тринітаріїв. Будівництво тривало двадцять років (1878-1898), ще кілька років велись роботи над оздобленням Преображенської церкви, яку освячено 29 квітня 1906 року митрополитом Галицьким Андреем Шептицьким, єпископом Перемишльським Костянтином Чеховичем та єпископом Станіславівським Григорієм Хомишиним. Над оздобленням храму працювали митці Леонард Марконі, Тадей Попель, Фердинанд Маєрський, Теофіл Копистинський, Корнило Устиянович, Андрій Коверко.

6 січня 1919 року під час українсько-польських боїв за Львів у стіну церкви зі сторони вулиці Корнякта влучив снаряд, однак вибуху не сталось. В пам’ять про це снаряд було вмуровано у стіну та зроблено підпис «6.1.1919».

В середині 1990-х років під час ремонтних робіт було стерто цифру “шість” й одиницю, і залишено лише рік. 1999 року напис відновлено, однак з невідомих причин тепер там зазначено «5.1.1919»

Преображенська церква першою у Львові повернулася до УГКЦ: 29 жовтня 1989 року, в неділю, священик Преображенської церкви о. Ярослав Чухній з благословення Львівського єпископа катакомбної УГКЦ Володимира Стернюка оголосив під час Літургії молитву за Святішого Вселенського Архієрея Івана Павла II Папу Римського і Блаженнішого патріарха Мирослава Івана і преосвященнішого архієпископа і митрополита Володимира Стернюка. Після Служби Божої о. Ярослав зачитав заяву до владики Володимира Стернюка з проханням прийняти його з вірною паствою в лоно Греко-Католицької Церкви. Отця Чухнія підтримала більшість парафіян та інші священики катакомбної церкви. Увечері 29 жовтня та в наступні дні та ночі у храмі залишались як сторожа до сотні греко-католиків. Цілодобові чатування тривали кілька місяців.