Известно, что на месте нынешней церкви существовала деревянная церковь Спаса Преображения " еще во времена ярославских удельных князей". Церковь была приходской и располагалась на "городском торгу", отчего получила устойчивое наименование "Спас на Городу". В "великий пожар" 1658 года деревянная церковь сгорела.
Строительство четырехстолпного пятиглавого храма на главной торговой площади средневекового Ярославля было завершено в 1672 году. Образцом для него послужила церковь Иоанна Златоуста в Коровниках: в спасонагородском храме практически полностью повторены дублирующий колокольню шатровый придел и большие главы на высоких барабанах, равных по высоте основному зданию. Несмотря на скромность декора, церковь выделяется на набережной Которосли благодаря слитности своего силуэта. В интерьере сохранились фрески 1693 года.
Постройка с барабанами, увенчанными грузными маковицами, превосходящими по высоте основное здание, типична для ярославских храмов.
Главная достопримечательность сооружения - фрески. В 1693 г. церковь расписывали 22 мастера во главе с Лаврентием Севастьяновым, Федором Федоровым и Иваном Дмитриевым. Старший из них - Лаврентий Севастьянов писал иконы в Федоровской церкви Ярославля вместе со знаменитым Гурием Никитиным. Лаврентий - сын известного ярославского первостатейного мастера Севастьяна Дмитриева, в течение 40 лет выезжавшего на "государевы работы" в Оружейную палату Московского Кремля. Он в 1640 г. работал над росписью первого в Ярославле посадского храма Николы Надеина.
Артель Севастьянова в совершенстве владела техникой фрески. Огромный храм, его алтари и паперти мастера расписали за 7 недель одного лета.
В росписи проявился окончательно сложившийся ярославский стиль, характеризующийся разбивкой стен на узкие ярусы. Здесь их семь. В четырех верхних - земная жизнь Христа, в пятом и шестом - "История животворящего креста". Седьмой - орнаментальный фриз.
В сюжетах фресок храма, созданного на средства посадского люда, присутствуют элементы народного быта. Так, царица Елена, отправляясь в Палестину, едет в крестьянской телеге, а церкви, основанные ею в "святой земле", напоминают простые деревянные срубы ярославского посада.
В 1918 г. во время мятежа церковь сильно пострадала. Росписи спасены П.Д. Барановским. В 1919-1920 годах она была отреставрирована. В 1926 году храм был закрыт и стал использоваться как склад. В июле 2003 года храм передан Ярославской Епархии.
