Расцвет Варлаамиева Хутынского  монастыря связан с покровительством великого князя Василия III  Ивановича, особо почитавшего Варлаама (перед смертью принявшего схиму с именем Варлаам). В ноябре 1531 г. по рекомендации великого князя Новгородский архиепископ Макарий поставил инока Иосифова Волоцкого монастыря Феодосия во игумена Варлаамиева Хутынского  монастыря. В 1532 г. Василий III дал монастырю несудимую грамоту, по которой в делах недуховных игумена мог судить только великий князь, в духовных – Новгородский архиепископ, и освободил Варлаамиев Хутынский  монастырь от уплаты пошлин за соляные варницы в Русе (Старая Русса). Согласно писцовым книгам XVI в., монастырю принадлежали крупные земельные владения в Обонежской, Водской, Деревской пятинах, соляные варницы и дворы в Русе, рыбные ловли в Волхове, Онежском озере. В Варлаамиев Хутынский монастырь делали вклады царь Иван IV Васильевич (около 1000 руб. на поминовение жён Анастасии Романовной, Марии Темрюковны, Марфы Васильевны, сына Ивана Ивановича, брата Георгия и др.), в 1542 г. князь В.И. Оболенский (покров с изображением преподобного Варлаама), в октябре 1579 г. царевич (будущий царь) Фёдор Иванович и его супруга Ирина Фёдоровна (покров), в 1599 г. Т.А. Хлопов (колокол), в 1669 г. Сибирский митрополит Корнилий (покров). С XV в. в обители создаётся уникальный архитектурный ансамбль. Весной 1417 г. новгородский посадник Юрий Онциферович построил каменную надвратную церковь во имя Антония Великого, в следующем году – каменную надвратную церковь во имя пророка Илии. В 1445 г. по благословению Новгородского архиепископа Евфимия II была возведена «кругла, яко столп» церковь во имя священномученика Григория, просветителя Армении, в том же году был построен храм во имя Варлаама Хутынского, «а на верху колоколница». К 1510 гг. Преображенский храм обветшал и был разобран, на его месте по повелению великого князя Василия III был сооружён и 6 августа 1515 г. освящён собор с тем же посвящением. По мнению исследователей, в его возведении принимали участие новгородские «стенщики» и московские резчики по камню (резьба порталов), руководил строительством итальянский мастер (или мастера). В архитектурном облике шестистолпного пятиглавого Преображенского собора сочетаются традиции новгородского и московского зодчества конца XV – начала XVI в., образцами для него послужили Успенский и Архангельский соборы Московского Кремля. Фасады собора разделены горизонтальными тягами на несколько ярусов, выше традиционных закомар стены завершены профилированным карнизом. Первоначально фасады не были оштукатурены и побелены, в открытой кладке ясно читались декоративные ряды. Большое число окон в барабанах храма и апсидах обеспечивало хорошее освещение, что позволило выполнить в нишах-киотах росписи: на западной стене изображён Господь Вседержитель с предстоящими архангелами Гавриилом и Михаилом, на южной стене – Богоматерь «Знамение» с предстоящими Варлаамом Хутынским и Антонием Римлянином, на северной – Святая Троица с предстоящими святителями Николаем Чудотворцем и Алексием Московским, на восточной стене, в нише над апсидами, – Преображение Господне. В южной части собора находились под спудом мощи Варлаама, над которыми была поставлена рака. В 1520 гг. на раке хранился крест-мощевик с изображением преподобного (Русское серебро XIV – начала XX вв. из фондов музеев Московского Кремля). В 1646 г. к собору пристроили приделы: южный в честь Покрова Пресвятой Богородицы и северный во имя апостола Иоанна Богослова, в 1660 гг. – паперть (к западной стене).