История храма берет свое начало в середине XIX века. В то время на территории поселка Великодолинское располагалась немецкая колония Гросслибенталь (нем. Gross Liebenthal). Зданием храма является бывшая Кирха во имя апостола Петра, ее строительство было начато в 1845 году, а в 1846 году Кирха была освящена. Кирха считалась архитектурным шедевром. Имела восьмиугольные колонны, внутри был орган Энгельманна.
Рядом с кирхой находился дом пастора. Во дворе дома стояла ветряная мельница новейшей, на те времена, конструкции. Вместо четырех крыльев у этой мельницы была круглая турбина с множеством лопастей, которые захватывали ветер. Турбина была закреплена на оси и скорость ее вращения зависела от силы ветра. Ось турбины была соединена длинным рычагом с эксцентриком, что позволяло выкачивать воду из колодца глубиной примерно 10 м. вода по трубам, проложенным под землей, шла к зданию богадельни. Таким же образом снабжался водой и дом пастора. Пастор еще осуществил и надзор за богадельней
В то время церковь была самым высоким в поселении зданием. Переднюю сторону которого украшала высокая башня. В этой башне висело три колокола разных размеров. Высокие окна с обеих сторон пропускали достаточно света, чтобы можно было прочитать псалмы в сборнике. Два ряда высоких колонн разделяли помещение на три части. В основной части стояли широкие скамьи в два ряда. Левый ряд предназначался для мужчин, правый — для женщин. Две меньшие части помещения предназначались для детей.
В основной xram-1993_1части для взрослых напротив скамеек стояли специальные устройства с которых удобно было читать во время пения. Перед алтарем стоял длинный стол, покрытый черной тканью. На нем стояло распятие. Над алтарем помещалось правильное круглое окно с цветными стеклами. Там, на этом окне, была изображена голова Христа, увенчанная терновым венцом.
После революции 1917 года здание кирхи было переоборудовано в складское помещение. Позже использовалась как спортивный зал. Годы запустения плачевно сказались на здании: отсырело помещение, осыпалась штукатурка, частично разрушились карниз, колонны, шпиль.
В начале 90х годов ХХ столетия здание было передано Овидиопольской епархии Украинской православной церкви. Освящен в честь иконы Преображения Господня. Мозаичное исполнение данной иконы украшает фасадную часть храма.
В этот же период началась активная реконструкция здания в соответствии с православными канонами возведения храмов. Так новый храм получает купол, который в последствии несколько раз обновлялся и перестраивался.
Во дворе храма был построен дом для приходского священника и небольшая колокольня
На данный момент в храме продолжаются ремонтно-восстановительные работы: восстанавливается штукатурка, колонны. Внешние стены храма украшены мозаикой с изображением святых мужей и жен. В самом храме установлены иконы в разной технике исполнения (писаные, литографические, полиграфические). Ведутся работы по xram-vnutri-3облагораживанию прилегающей территории. В июле 2015, в рамках Крестного хода, храм посетила икона Божьей Матери «Всецарица»
В течение 2017 года, при поддержки прихожан, благотворителей, администрации пгт Великодолинское были проведены восстановительные работы: реконструирован и покрыт позолотой купол, добавились новые мозаики на фасаде и внутри храма, алтарь украсили фрески с изображением Спасителя, Пресвятой Богородицы, Иоанна Предтечи, святителей Григория Богослова, Иоанна Златоустого, Василия Великого, Николая Чудотворца.
10 февраля 2019 года по благословению Высокопреосвященнейшего Агафангела, митрополита Одесского и Измаильского, Преосвященнейший Аркадий, епископ Овидиопольский, викарий Одесской епархии совершил освящение храма и Божественную литургию.