Интерьер храма уникален. Он представляет собой обширный зал, перекрытый сомкнутым сводом. При ширине 14 метров, он имеет высоту 17, что было выдающимся инженерным достижением своего времени. Строили собор, несомненно, очень хорошие мастера. Известно, что это была артель под руководством Григория Федорова из крепостных князя Голицына. В строительстве мог принимать участие и уроженец Углича будущий прославленный архитектор петровского времени Григорий Устинов. Эта ширина сводов и необычный простор обратили на себя монарший взор Екатерины II, которая в мае 1767 года посетила Углич. Росписи 1809-811 гг. выполнены артелью крепостного живописца князя Голицына Тимофея Медведева и включают сюжеты, скопированные с работ итальянских художников барокко и Возрождения Гвидо Рени, Гверчино, Доменикино. Главная храмовая композиция – «Преображение» — на северной стене является копией с одноименной картины Рафаэля Санти, которая находится в Ватикане. Другие сюжеты повествуют о земной жизни Иисуса Христа и иллюстрируют евангельские притчи. Грандиозный шестиярусный резной иконостас установлен в 1853 году. Почти все иконы, наполняющие иконостас (а всего их 60), старинные, относятся к XVII-XVIII вв.