Каменный костел и каменный монастырь были построены в 1750-х годах на средства Брацлавского земского судьи, мецената Михала Анджея Грохольского. Уже в 1758 году храм был освящен и начал функционировать по духовному назначению.
Проектантом и архитектором храма был выдающийся итальянский зодчий Паоло Антонио Доменико Фонтана. Он придал своему архитектурному творению черты «виленского» барокко, которое удачно сочетает местные национальные традиции с поздним западноевропейским барокко. В подвалах храма была обустроена семейная крипта (усыпальница) Грохольских.
Доминиканский и соседний иезуитский монастыри стали частями двуединого ансамбля — комплекса Муры, который располагал общей оборонной системой и играл важную роль в защите города от врагов и торговом развитии территории. После ликвидации соседнего монастыря в 1773 году доминиканский храм стал приходским для католической общины Винницы.
В 1832 году, после мощной волны правительственных гонений, вызванных восстанием поляков против Российской империи, царская власть передала храм православным.
В 1855 году настоятель собора протоиерей Порфирий Вознесенский обратил внимание на то, что многие прихожане почти не посещают церковь зимой. Причиной был холод, от которого также страдали священнослужители. Поэтому было принято решение о строительстве так называемой «теплой церкви», которую устроили в нижней части собора, где находилась крипта рода Грохольских. Предварительно при участии католического духовенства захоронения основателей были перенесены: часть — в другой костел, а остальные — за пределы церкви. Нижняя церковь была освящена в честь св. Козьмы и Дамиана в память о предыдущем соборном храме.
При советской власти храм закрыли и превратили в склад резины, однако во время нацистской оккупации собор снова стал действующим и просуществовал в таком статусе почти 20 лет. После этого Преображенскую церковь снова закрыли, в ее помещении обустроили Дом физкультуры, а впоследствии — зал органной и камерной музыки областной филармонии. После распада Союза храм вернули религиозной общине. Сейчас это кафедральный собор Православной церкви Украины и резиденция митрополита Винницкого и Барского.
Пространственная композиция комплекса бывшего костела неоднократно менялась. Однако во время последней реставрации в 1990-х годах под руководством архитектора В. Отченашко образ храма был максимально дополнен в его современном восточнохристианском воплощении. О том, что постройка возведена как костел, напоминает раскрытый фрагмент первоначальной росписи стен и потолка, который можно увидеть в пономарке справа от главного алтаря. Сохранены здание костела, кельи, стены и оборонительная башня комплекса Муры с монастырскими конюшнями на юго-западном углу бывшего ансамбля.
