Изначально храм был деревянным. Каменный храм, построенный после 1695 года состоял из трех отделений: алтаря, средней и подкупольной части, а также трапезной, к которой с западной стороны примыкал фронтон — небольшая галерея. Строительство верхней Троицкой церкви затянулось. Весь храм был готов только к 1701 году. Летописцы отметили, что во время своего путешествия по Волге в Персидский поход, Петр I посетил Саратов (это было второе посещение города государем) с 3 по 4 июня 1722 года и даже осматривал собор.
С 1936 года согласно постановлению Комитета по охране памятников старины и искусства при ЦИК нижний этаж здания собора использовался под хранилище научных фондов Музея краеведения. В 1937 году храм был закрыт, но 8 октября 1942 года на основании решения Исполнительного Комитета Саратовского городского Совета депутатов трудящихся соборный комплекс был передан в бесплатное пользование для культовых целей общине верующих.
В 1947 году храм был окончательно возвращен Православной Церкви, из краеведческого музея передается чудотворный образ Спаса Нерукотворного, особую святыню Троицкого собора.
26 июня 1988 года в верхнем и нижнем храмах Троицкого собора при огромном стечении народа проходили торжества, связанные с празднованием в Саратове 1000-летия Крещения Руси. Руководил торжествами архиепископ Саратовский и Волгоградский Пимен (Хмелевской).
В 1997 году, в дни, когда Русская Православная Церковь праздновала 200-летие со дня рождения святого равноапостольного Иннокентия, митрополита Московского и Коломенского (†1879), Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II передал в дар кафедральному собору Саратовской епархии икону святителя Иннокентия с частицей его святых мощей.
К концу 1990-х годов собор пришел в аварийное состояние: прогрессирующая деформация фундамента стала причиной отклонения колокольни от своей оси.
По благословению Архиепископа Александра (Тимофеева †2003), управлявшего в то время Саратовской и Вольской епархией, в соборе было ограничено количество богослужений, которые совершались только в нижнем, Успенском храме. В марте 2001 года Архиепископ Александр обратился к Святейшему Патриарху Алексию II с прошением перенести архиерейскую кафедру во второй из сохранившихся старинных храмов Саратова, также действовавший в советское время, ― Духосошественский собор ― «до восстановления разрушенного в 30-е годы кафедрального собора во имя святого благоверного князя Александра Невского или до полной реставрации Свято-Троицкого собора».
С 2004 года в Троицком соборе проводилась масштабная реконструкция.
10 декабря 2006 г., по окончании реставрационных работ в нижнем Успенском храме Свято-Троицкого собора, Архиепископ Симбирский и Мелекесский Прокл в сослужении Архиепископа Йошкар-Олинского и Марийского Иоанна и Епископа Саратовского и Вольского Лонгина совершил чин Великого освящения нижнего Успенского храма.
В 2013 году были начаты масштабные ремонтно-восстановительные работы в верхнем храме во имя Живоначальной Троицы Свято-Троицкого кафедрального собора.
В 2014 году работы были полностью завершены.
26 октября 2014 г., во время Первосвятительского визита в Саратов, Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл посетил Троицкий собор и огласил свой Указ: «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»».
2 ноября 2014 г. Митрополит Саратовский и Вольский ЛОНГИН в сослужении духовенства совершил чин Великого освящения верхнего храма Свято-Троицкого кафедрального собора г.Саратова.