Кам’яний костел і мурований монастир були побудовані у 1750-х роках коштом брацлавського земського судді, мецената Міхала Анджея Ґрохольського. Вже 1758 року храм був освячений і розпочав функціонувати за духовним призначенням.
Проєктантом і архітектором храму був видатний італійський будівничий Паоло Антоніо Доменіко Фонтана. Він надав своєму архітектурному витвору рис «віленського» бароко, що вдало поєднує місцеві національні традиції з пізнім західноєвропейським бароко. У підвалах храму була облаштована родинна крипта (усипальниця) Ґрохольських.
Домініканський і сусідній єзуїтський монастирі стали частинами двоєдиного ансамблю ― комплексу Мури, що мав спільну оборонну систему та відігравав значну роль у захисті міста від ворогів і торговельному розвитку території. Після ліквідації сусіднього монастиря в 1773 році домініканський храм став парафіяльним для католицької громади Вінниці.
1832 року, після потужної хвилі урядових гонінь, спричинених повстанням поляків проти Російської імперії, царська влада передала його православним.
1855 року настоятель собору протоієрей Порфирій Вознесенський звернув увагу на те, що багато прихожан майже не відвідують церкву взимку. Причиною був холод, від якого також страждали священнослужителі. Тому було ухвалене рішення про спорудження так званої «теплої церкви», яку влаштували в нижній частині собору, де розміщувалася крипта роду Ґрохольських. Попередньо за участі католицького духовенства поховання фундаторів були перенесені: частина ― до іншого костелу, а решта ― за межі церкви. Нижня церква була освячена на честь св. Козьми і Даміана на згадку про попередній соборний храм.
За радянської влади храм зачинили й перетворили на гумовий склад, проте під час нацистської окупації собор знову став діючим і проіснував у такому статусі майже 20 років. Після цього Преображенську церкву знову зачинили, у її приміщенні облаштували Будинок фізкультури, а згодом ― зал органної та камерної музики обласної філармонії. Після розпаду Союзу храм врешті повернули релігійній громаді. Нині це кафедральний собор Православної церкви України та резиденція митрополита Вінницького й Барського.
Просторова композиція комплексу колишнього костелу неодноразово змінювалася. Проте під час останньої реставрації у 1990-х роках під керівництвом архітектора В. Отченашка було максимально доповнено образ храму в його сучасному східнохристиянському втіленні. Про те, що споруда зведена як костел, нагадує розкритий фрагмент початкового розпису стін та стелі, який можна побачити в паламарні праворуч від головного вівтаря. Збережено будівлю костелу, келії, стіни та оборонну башту комплексу Мури з монастирськими стайнями на південно-західному куті колишнього ансамблю.
