Родился в городе Болхов Орловской губернии, в семье священника. Закончил Орловскую 1-ю гимназию. В 1907—1908 учился на юридическом факультете Московского университета (университет не окончил). Член РСДРП с 1903 года. Вёл партийную работу в Брянске, Орле, Москве, на Урале, в Сибири. В 1904—1905 член Уральского областного бюро РСДРП. С осени 1909 находился в ссылке в Иркутской губернии.
С марта 1917 Преображенский — товарищ председателя Читинского совета. В 1917—1918 кандидат в члены ЦК партии, кандидат в члены Уральского облкомитета РКП(б) с января 1918. Примыкал к «левым коммунистам», являлся противником заключения мира с Германией. С мая 1918 председатель президиума Уральского обкома РКП(б).
В 1920—1921 секретарь ЦК партии и член Оргбюро ЦК. В 1921 году возглавил финансовый комитет ЦК ВКП(б) и Совнаркома РСФСР, с того же года председатель Главного управления профобразования Наркомата просвещения РСФСР. В 20—х годах — член Главной редакции 1—го издания Большой советской энциклопедии. С 1919 до лета 1923 года был одним из редакторов газеты «Правда».
C 1923 года был одним из лидеров Левой оппозиции, подписал «Заявление 46-ти», считался одним из его авторов и инициаторов и защищал позицию, отражённую в «Заявлении», на XIII съезде РКП(б).
В 1924—1927 годах — заместитель председателя Главного концессионного комитета, член Коллегии Наркомата финансов СССР. 13 октября 1927, ещё до XV съезда ВКП(б), исключён из партии «за организацию нелегальной антипартийной типографии». В январе 1928 выслан в Уральск, где работал в плановых органах. В 1929—1930 Преображенский — сотрудник Госплана Татарской АССР. Летом 1929 вместе с К. Б. Радеком и И. Т. Смилгой направил в ЦК ВКП(б) письмо, в котором открыто заявил об идейном и организационном разрыве с троцкизмом. В январе 1930 Преображенский был восстановлен в партии и назначен заместителем председателя Нижегородского краевого планового комитета. С 1932 член Коллегии Наркомата лёгкой промышленности СССР, заместитель начальника отдела Наркомата совхозов СССР.
В самом начале 1933 года был вновь арестован как член подпольной организации И. Н. Смирнова, исключён из ВКП(б) и 26 января Особым совещанием при ОГПУ был приговорён к 3 годам высылки. Однако, в отличие от И. Н. Смирнова и многих других членов организации, в очередной раз написал покаянное заявление и в декабре того же года был восстановлен в партии. С декабря 1933 до декабря 1936 года — заместитель начальника Отдела Народного комиссариата зерновых и животноводческих совхозов СССР. Окончательно Преображенский был исключён из ВКП(б) в 1936 году и 20 декабря 1936 вновь арестован . 13 июля 1937 Военной коллегией Верховного Суда СССР по обвинению в участии в контрреволюционной террористической организации был приговорён к смертной казни и в тот же день расстрелян. Прах захоронен на территории Донского монастыря.
Реабилитирован 22 декабря 1988 года Пленумом Верховного Суда СССР.
В соавторстве с Н. Бухариным написал «Азбуку коммунизма». Наряду с Л. Д. Троцким был одним из лидеров Левой оппозиции в РКП(б)—ВКП(б).
Один из ведущих советских экономистов 1920-х гг., Преображенский, вопреки широко распространённому мнению (оспоренному в своё время ещё И. Дойчером), никогда не был противником НЭПа. Известна его полемика с Н. И. Бухариным, но в российской историографии она изучается, как правило, по одному источнику — по Бухарину, который, однако, по мнению И. Дойчера и В. З. Роговина, в своих сочинениях искажал взгляды Левой оппозиции, приписывая её членам антинэповские устремления: Преображенский был всего лишь поборником модернизации экономики и не видел для проведения индустриализации иных источников, кроме сельского хозяйства. Не указал их, однако, и Бухарин.
После начала индустриализации в СССР Преображенский перешёл на сторону Сталина, считая, что его фракция выполняет программу Левой оппозиции, — в то время он не имел представления о том, что творится в деревне. Однако, познакомившись со сталинской политикой не по статьям в «Правде», Преображенский из условного союзника вновь превратился в убеждённого противника (в отличие от своего былого обличителя Бухарина) и вступил в подпольную оппозиционную организацию И. Н. Смирнова. На допросах в тюрьме на Лубянке в 1937 году он признал существование в 1931—1932 гг. этой организации и так объяснил позицию «смирновцев»: