Первая деревянная Духосошественская церковь была освящена 30 января 1844 года. Уже в 1855 году на её месте тщанием почетного гражданина Саратова, купца первой гильдии П. Ф. Тюльпина было построено новое храмовое здание, на этот раз каменное, трёхпрестольное, с колокольней. При церкви была открыта приходская школа. Богадельня для пожилых людей открылась в 1880 году.
В 1931 году с колокольни были сняты и переплавлены для нужд промышленности колокола. С 1939 года после закрытия храма в его здании было размещено зернохранилище, что, однако, не нанесло архитектурному памятнику серьёзного ущерба. 17 декабря 1947 года храм вновь был открыт. В кратчайшие сроки было восстановлено внутреннее убранство, стены были заново расписаны.
В настоящее время здание является памятником истории и культуры регионального значения. С 2007 года ведутся реставрационные работы, в результате которых здание меняет свой облик. Убрана роспись фасада колокольни, заменяются купола, ремонтируются престолы и крестильное помещение. При храме действует воскресная школа, организовываются благотворительные акции. На хранение Духосошественскому собору переданы ковчеги с мощами Радонежских и Киево-Печерских святых, икона святителя Митрофана Воронежского с частицей его мощей.