W latach pięćdziesiątych XVIII w. Kosztem Michała Andrzeja Grocholskiego, sędziego powiatowego bracławia i filantropa, wzniesiono kamienny kościół katolicki i klasztor. W 1758 r. Katedra została konsekrowana i zaczęła pełnić funkcje duchowe. Autorem projektu i architektem katedry był znany włoski projektant Paolo Antonio Domenico Fontana. Do swojej pracy architektonicznej dodał elementy baroku wileńskiego, z powodzeniem łącząc lokalne tradycje narodowe z późnym barokiem zachodnioeuropejskim. W podziemiach katedry znajdowała się rodzinna krypta (grobowiec) Grocholskich. Klasztory dominikańskie i sąsiednie klasztory jezuickie weszły w skład podwójnego zespołu - kompleksu Mury, który posiadał wspólny system obronny i odegrał znaczącą rolę w rozwoju handlowym okolicy i ochronie miasta przed wrogami. Po likwidacji sąsiedniego klasztoru w 1773 r. Kościół dominikanów stał się parafią dla katolickiej wspólnoty winnickiej. W 1832 r., Po ciężkich prześladowaniach rządowych wywołanych powstaniem Polaków przeciwko Imperium Rosyjskiemu, autokracja carska przekazała go prawosławnym. W 1855 roku Protoiereus Porfyrii Voznesenskyi, ówczesny dziekan katedry, zwrócił uwagę na fakt, że wielu członków kościoła nie chodziło do kościoła zimą. Powodem były warunki pogodowe. Duchowni również cierpieli z powodu zimna. Dlatego zdecydowali się na budowę tzw. „Ciepłego kościoła”, który zaaranżowano w dolnej części Katedry, gdzie znajdowała się rodzinna krypta (grobowiec) Grocholskich. Zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami z duchowieństwem katolickim pochówki fundatorów przeniesiono: część przeniesiono do innego kościoła, a resztę na zewnątrz kościoła. Dolny kościół poświęcono ku czci św. Kosmy i Damiana w celu upamiętnienia poprzedniej katedry.
W czasach radzieckich kościół został zamknięty i przebudowany na magazyn gumy, ale podczas okupacji hitlerowskiej katedra ponownie zaczęła działać i funkcjonowała prawie 20 lat. Następnie ponownie zamknięto kościół Przemienienia Pańskiego, a w budynku urządzono Dom Kultury Fizycznej, a później Salę Organową i Kameralną Filharmonii Okręgowej. Po rozpadzie Związku Radzieckiego kościół wrócił do wspólnoty wyznaniowej. Obecnie jest to Cerkiew Prawosławna Ukrainy i siedziba metropolity Winnickiego i Barskiego. Wielokrotnie zmieniano kompozycję przestrzenną dawnego kościoła. Jednak podczas ostatniej renowacji w latach 90-tych pod kierunkiem architekta Oczenaszki wygląd kościoła stał się bardziej kompletny we współczesnej realizacji wschodnio-chrześcijańskiej. O tym, że pierwotnie budowla była kościołem katolickim, świadczy odsłonięty fragment oryginalnego obrazu na ścianach i suficie, który można zobaczyć w sali dzwonnicy na prawo od ołtarza głównego. Zachował się budynek kościoła, cele, mury i wieża obronna zespołu muryńskiego ze stajniami klasztornymi w części południowo-zachodniej.
