История храма довольно длинная, вначале была построена деревянная церковь. 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 05 октября 1858 года.

Белокаменный, пятиглавый собор сошествия Святого Духа с лазуревыми и золотыми куполами заметно выделяется среди остальных построек. Духосошественский собор стоит на одноименной площади, вокруг которой расположены одноэтажные, ветхие жилые постройки, придающие кафедральному собору Саратова особую монументальность. В народе его обычно называют "Голубые купола". Постановлением Саратовской Областной Думы от 17 ноября 1994 года № 7-59 Духосошественская церковь признана памятником истории и культуры регионального значения.

Вначале на этом месте была построена деревянная церковь. В 1855 году вместо старой, деревянной, построена каменная церковь и каменная же колокольня. Освящение Духосошественской церкви произошло несколько позднее, лишь 05 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 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 06 октября 1931 года колокола собора были изъяты для нужд промышленности. В 1939 году храм был закрыт и превращен в зернохранилище.

13 июня 1941 года Саратовский горисполком принял к рассмотрению ходатайство о перестройке закрытого храма в кинотеатр, но нападение фашистской Германии на СССР 22 июня того же года предотвратило реализацию этого проекта. Храм вновь был открыт в декабре 1947 года. Стены были заново расписаны, а в остальном помещение почти не пострадало. В 1948 году главный придел был заново освящен Преосвященнейшим Борисом (Виком; †1965) и в нем начались регулярные богослужения. Взамен утраченного иконостаса установили временный одноярусный, который простоял 20 лет. Только в 1969 году для Духосошественского собора удалось создать художественный трёхъярусный иконостас, освящённый 5 января 1970 года

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 (Тимофеев †2003).

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».

Главный престол Духосошественской церкови освящён в 1948 году в честь Сошествия Святого Духа на апостолов; правый придел — в 1995 году во имя святителя и чудотворца Николая, левый придел — в 1995 году в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение». К храму приписана часовня в честь иконы Божией Матери «Живоносный Источник» (СИЗО № 1).

Престолы: главный - в честь Сошествия Святого Духа на Апостолов, в правом приделе - во имя Святителя и Чудотворца Николая, в левом - в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение».
Освящен:

Главный престол в 1948 году Епископом Саратовским и Вольским (1947-1949) Борисом (Виком; †1965).

В 1995 году, по благословению Архиепископа Саратовского и Вольского Александра (Тимофеева †2003), в правом приделе во имя Святителя Николая Чудотворца был совершен чин положения Антиминса.

18 февраля 2011 года, по благословению Епископа Саратовского и Вольского Лонгина, в левом приделе в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение», протоиерей Сергий Догадин в сослужении духовенства собора совершил освящение престола.
Святыни:
ковчег с мощами Радонежских святых;
ковчег с мощами Киево-Печерских святых;
ковчег с мощами Константинопольских святых;
икона с частицей мощей прп. Евфросинии Полоцкой;
икона с частицей мощей сщмч. Гермогена Долганева.

Настоятель: протоиерей Сергий Догадин.
Богослужения:

С понедельника по субботу: Литургия в 08:00. В воскресенья и праздники: ранняя Литургия в 07:00, поздняя Литургия в 09:00. Ежедневно: вечернее богослужение в 17:00. Собор открыт в течение всего дня. Дежурный священник находится в храме в будние дни до 14:00, в праздничные и выходные до 15:00. Читаются акафисты (во время вечернего богослужения): по понедельникам - Божией Матери, по четвергам - святителю Николаю Чудотворцу, по воскресеньям - Божией Матери, Иисусу Cладчайшему.

Службы, действующие при храме:
Детская воскресная школа: посещается детьми в возрасте от 5 до 15 лет. Занятия проходят в трех группах: дошкольной и начальной школы, средней, старшей, по субботам с 15:00 до 17:00. Изучаются Библейская история, богослужение Русской Православной Церкви, церковнославянский язык. При храме существует библиотека.
Церковно-социальная деятельность:

Прихожанами и служащими собора ведется благотворительная деятельность. Ежемесячно, к двунадесятым праздникам посещается Дом ребенка. Собираются вещи, предметы быта и ухода для раздачи нуждающимся.

Храм сотрудничает с Гуманитарно-экономическим лицеем и средней школой № 11 Волжского района: ежемесячно проходят встречи учащихся со священником, организуются экскурсии по храму на Светлой седмице.