Здание храма было построено в 1855 г. на средства купца первой гильдии П.Ф.Тюльпина на месте ранее существовавшей здесь с 1844 г. деревянной церкви. Белокаменная Духосошественская церковь была выстроена с пятью главами: лазурными и золотыми, и с трехъярусной колокольней из тринадцати колоколов. В храме были освещены три престола: главный – во имя Сошествия Святого Духа и два предельных: во имя иконы Знамения Божией Матери и во имя святителя Николая Чудотворца.
Церковь имела большой приход и получала богатые пожертвования, что позволило выстроить рядом с храмом дома для священников, богадельню (в 188 0г.) и школу (1885 г.). На средства Духосошественской церкви в 1904 г. был построен храм во имя Николая Чудотворца на ул. Большой Горной (в 1930 г. храм был уничтожен, теперь на месте алтаря стоит памятник Героям – Краснодонцам).
В годы первой мировой, когда в Саратов хлынул поток беженцев, при храме открылась вторая школа для детей всех вероисповеданий. После революции Духосошественская церковь полностью содержалась на средства верующих до середины 1930-х годов, когда по распоряжению Горисполкома в храме устроили зернохранилище. В январе 1948 года после неоднократных обращений граждан к властям, храм возобновил богослужение.
В 2001 г. в связи с повреждением колокольни Свято-Троицкого храма епископальная кафедра была переведена в Духосошественскую церковь, которая стала называться кафедральным собором.
Постановлением Саратовской Думы в 1994 г. Кафедральный Духосошественский собор признан памятником истории и культуры регионального значения. В наше время при храме находится воскресная школа.