Klasztor dominikanów w Winnicy został ufundowany w 1630, jednak już w kilkanaście lat później, w czasie powstania Chmielnickiego, zakonnicy opuścili go i wrócili do miasta dopiero w końcu stulecia. W 1758 kamienny kościół dla dominikanów ufundował Michał Grocholski. Pod koniec XVIII w. w klasztorze przebywało na stałe sześciu zakonników. Niewielkie rozmiary i ubóstwo wspólnoty stały się oficjalną przyczyną jej likwidacji w 1832, w okresie kasaty klasztorów w zaborze rosyjskim. W tym samym roku zamknięty klasztor dominikanów został przekazany Rosyjskiemu Kościołowi Prawosławnemu. W 1833 kościół wspólnoty został ponownie wyświęcony jako sobór Przemienienia Pańskiego – po rozbiórce starej cerkwi Świętych Kosmy i Damiana stał się głównym centrum kultu prawosławnego w mieście. W 1855 w krypcie grzebalnej Grocholskich, jaka znajdowała się w podziemiach dawnego kościoła, urządzono dolną cerkiew Świętych Kosmy i Damiana, przenosząc szczątki fundatorów dominikańskiego klasztoru do odrębnego pomieszczenia w podziemiu i zamurowując je. W 1847 sobór Przemienienia Pańskiego odwiedził car Mikołaj I z synami Aleksandrem i Mikołajem. Po roku car podpisał projekt remontu budynku, jednak do prac nad jego realizacją przystąpiono dopiero w 1860. Przebudowany obiekt poświęcił 27 listopada 1866 prawosławny biskup podolski Leoncjusz. W 1916 w soborze wizytę złożył car Mikołaj II.