Вначале была построена деревянная церковь. В саратовских газетах имеется упоминание об этом. Так, «Саратовские губернские ведомости» писали: «Новая церковь в Саратове… во имя Сошествия Святого Духа на апостолов, устроена при содействии преосвященного Иакова в 1844 году». В 1855 году вместо старой, деревянной, построена каменная церковь и каменная же колокольня на средства почетного гражданина Саратова купца первой гильдии Петра Федоровича Тюльпина. Освящение Духосошественской церкви произошло несколько позднее, лишь 5 октября 1858 года. Освятил ее Преосвященный Иоанникий I (Горский; †1877), епископ Саратовский и Царицынский. По штату при церкви были положены три священника, один диакон и три псаломщика. Церкви принадлежали здания каменной церковно-приходской школы и деревянной сторожки. В годы Советской власти: В конце 1920-х годов Духосошественская церковь была захвачена обновленцами, но спустя полгода клир храма принес покаяние. Предположительно после закрытия Александро-Невского кафедрального собора Духосошественская церковь получила статус соборной. Постановлением Президиума Нижне-Волжского краевого исполкома советов РК и К депутатов от 6 октября 1931 года колокола собора были изъяты для нужд промышленности. В 1939 году храм был закрыт и превращен в зернохранилище. Однако здание почти не пострадало, и, когда 17 декабря 1947 года храм вновь был открыт, его стены были лишь заново расписаны. В 1948 году главный придел был заново освящен Преосвященнейшим Борисом (Виком; †1965) и в нем начались регулярные богослужения. В наши дни: Постановлением Саратовской Областной Думы от 17 ноября 1994 года № 7-59 Духосошественская церковь признана памятником истории и культуры регионального значения. В 1995 году левый и правый приделы были заново освящены иерейским чином. Указом Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II № 1115 от 16 марта 2001 года в связи с аварийным состоянием кафедрального Свято-Троицкого собора статус кафедрального был придан Духосошественскому собору. В крипте под главным алтарем собора погребен приснопамятный архиепископ Саратовский и Вольский Александр (†2003). 2 июня 2003 года Постановлением администрации города Саратова № 455-1 приходу Духосошественского собора был предоставлен в аренду сроком на 25 лет земельный участок общей площадью0,7934 га, занимаемый собором. Решением Арбитражного суда Саратовской области от 14 сентября 2004 года комплекс зданий Духосошественского собора был признан находящимся в собственности Саратовской епархии.
В 2007 году в храме проводились ремонтно-реставрационные работы: демонтаж старой штукатурки здания храма; демонтаж центрального купола собора; фасадные работы: штукатурка, шпаклевка, покраска храма; произведены монтаж и установка центрального купола, креста и яблока храма; заменена часть кровли и стропильной части; произведен монтаж оконных переплетов; осуществлен капитальный ремонт крестильного помещения. Реставрационные работы в соборе продолжились в 2008 году: произведен косметический ремонт главного центрального алтаря, алтарей Знаменского и Никольского приделов. В 2014 году Указом Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Кирилла № У-01/169 от 10.10.2014 г. «В связи с завершением реставрационных работ присвоить Свято-Троицкому храму г. Саратова статус кафедрального собора. Церкви Сошествия Святого Духа г. Саратова, временно имевшей статус кафедрального собора, официально именоваться «Храм Сошествия Святого Духа».
