Спасо-Преображенський собор почали будувати на початку 20 століття за ініціативою і на добровільні пожертви жителів волзьких міст, які хотіли відзначити духовну значимість витоку великої річки Росії. Велику допомогу надало Всеросійське товариство Святої Ольги.

В Осташкові був створений повітовий будівельний комітет, який займається будівництвом храму біля витоку Волги. Його головою був призначений архімандрит Пахомій, настоятель Ниловой пустелі.

17 квітня 1902 року був укладений договір з осташковским майстер кам'яних справ Суравковым Іваном Миколайовичем, який в кінці 19-початку 20 століть побудував багато храмові споруди Верхневолжья і кам'яні будівлі в Осташкові. Проект храму був виконаний у 1904 році тверським архітектором Віктором Назариным.

Зберігся проектний креслення собору говорить про те, що Спасо-Преображенський храм у витоків Волги нагадує форми Покровського собору в Москві. Бажання повторити собор Василя Блаженного не випадково: таким чином архітектор хотів підкреслити духовну взаємозв'язок столичного собору та храму у початку великої Волги.

Інтерес представляє проект інтер'єру храму, але через революційних подій, його так і не здійснили. Розписи стін собору мали бути присвячені російської святої княгині Ользі. В іконостасі планувалося розмістити лики Святих Угодників, які походили від нащадків першої Російської Православної Церкви, і при цьому не порушити історичної точності в порядку розміщення та зображенні нащадків Святої руської княгині. Ймовірно, творці проекту розписів у Спасо-Преображенському соборі хотіли повторити тему про «дереві московської великокнязівської династії», яка представлена в настінного живопису Архангельського собору і Золотої палати Московського Кремля, Спасо-Преображенського собору московського Новоспасского монастиря. Спасо-Преображенський собор у Волговерховье повинен був бути місцем пам'яті про прославили землю руську людей.

Головний престол Спасо-Преображенського собору має однойменну з храмом назва, правий боковий вівтар влаштований на честь св. княгині Ользі, а лівий приділ – на честь Іоанна Предтечі. Храм має п'ять розділів. Він побудований в псевдоруському стилі. Головний престол був освячений 23 квітня 1920 року.

Спасо-Преображенський собор був зведений місцевими майстрами. Відомо, що на будівництві були зайняті місцеві селяни: муляри Василь Богданов та Дмитро Соколов, цегла виробляли купець Олексій Семенов з Волго-Верхів'я, селянин Олексій Северов та інші. Спостерігав за якістю та виробництвом цегли в Волго-Верхів'ї за дорученням будівельного комітету спостерігали: дворянин і поміщик з Іванівського, Олексій Миколайович Вараксин і священик цвинтаря Стерж Голіков.