Ο ιερός ναός Μεταμορφώσεως του Χριστού Μεγαλοχωρίου είναι ένας απ’ τους σημαντικότερους ναούς του νησιού, καθώς πρόκειται για μία απ’ τις μεγαλύτερες βασιλικές του 18ου αι., η οποία μάλιστα παρουσιάζει στοιχεία αρχιτεκτονικής και ναοδομίας που θα επικρατήσουν στη Λέσβο στον 19ο αιώνα. Ανοικοδομήθηκε το 1767 πάνω σε παλαιότερο ναό, αφιερωμένο στην Παναγία, γι’ αυτό μέχρι σήμερα οι κάτοικοι της περιοχής τον αποκαλούν ως ναό της Παναγιάς. Αποτελεί τρίκλιτη βασιλική χωρίς τρούλλο και τρισυπόστατο ναό με τρία θυσιαστήρια.
Τα εντυπωσιακά ξυλόγλυπτα αποτελούν δημιουργήματα επιμελημένης εργασίας και προσδίδουν ιδιαίτερη αισθητική αξία στη συνολική εικόνα του ναού. Τούτο αποτυπώνεται όχι μόνο στο τέμπλο, τον αρχιερατικό θρόνο και τον άμβωνα, αλλά και στο παραθρόνιο, τα στασίδια των δύο χορών, τα προσκυνητάρια και το παγκάρι. Η επιγραφή που αποτυπώνεται πάνω σε βημόθυρο του τέμπλου μαρτυρεί τον καλλιτέχνη και τη χρονολογία κατασκευής τους: «Ήρξατο 1768 Σεπτεηβρίου 10 δια χειρός Υσιδόρου Κουρουματζήνα Χίου ηληφε δε το περας εν ετει αψξθ (1769) Ιουνίου Δ΄».
Το τέμπλο είναι ευθύγραμμο και διάτρητο σε όλη την επιφάνειά του. Έχει διάταξη σε τρεις ζώνες και παρουσιάζει επιρροές οθωμανικού μπαρόκ. Φέρει ανάγλυφη διακόσμηση, στην οποία διακρίνονται παραστάσεις από την Παλαιά και Καινή διαθήκη, πρόσωπα αγίων και αποστόλων, άγγελοι και φυτόμορφες παραστάσεις. Ο Ισίδωρος επέδειξε ιδιαίτερη ευαισθησία στη διακόσμηση των βημοθύρων με την αναπαράσταση της εικόνας του Ευαγγελισμού.
Στο ναό φυλάσσονται αξιοπρόσεκτες φορητές εικόνες με πλέον εντυπωσιακότερη αυτή της Μελλούσης Κρίσεως, η οποία χρονολογείται στο δεύτερο μισό του 18ου αιώνος.
Στο αρχείο του ναού σώζονται μεταξύ άλλων περισσότερα από σαράντα έγγραφα της περιόδου 1759-1909, ελληνικά και οθωμανικά. Πρόκειται για έγγραφα σχετικά με το ναό και τη Δημογεροντία Μεγαλοχωρίου.