В 1663 году освящена деревянная Спасская церковь. Придел Сергия Чудотворца.

В 1702 году здание храма разобрано и перевезено в Троицкий монастырь. Построена новая деревянная церковь.

В 1717 году построен новый каменный храм Спаса Всемилостивого.

В 1723 году в деревянной церкви произошёл пожар. В 1724 году оставшиеся бревна от здания деревянного храма перевезли в село Рамзай.

Для созданной Саратовской и Пензенской епархии в 1799 году церковь стала кафедральным собором.

В 1803 году достроен нижний этаж нового каменного собора. 1804 году освятили Благовещенский придел новой церкви. В 1811 году вчерне было завершено строительство верхнего этажа. В 1812 году освятили правый нижний придел во имя великомученицы Екатерины.

В 1815 году старый каменный собор разобрали.

В 1832 году освятили и правый верхний придел в честь Успения Пресвятой Богородицы. В 1850-1851 году собор был обновлен и расписан саранским художником Кузьмой Макаровым, его учениками и сыновьями, в том числе Иваном Кузьмичом, академиком живописи. 8-9 сентября 1851 году храм вновь освятили. В 1890-1899 годых были перестроены завершения колокольни и куполов.

В соборе хранилась чудотворная Казанская икона Божией Матери, подаренная первопоселенцам Пензы в 1663 году царем Алексеем Михайловичем, и реликвии – штандарты ополчений 1812 и 1855 годов. Под храмом нашли свое упокоение четверо пензенских архипастырей: Иннокентий (1819), Афанасий I (1826), Амвросий II (1853), Григорий I (1881) и Антоний II (1889).

После революции Спасский собор оказался в руках обновленцев. В 1923 году здание собора перешло властям. В соборе разместился губернский архив. В 1931 году с собора сняли кресты и купол колокольни, сбросили колокола. Собор взорвали летом 1934 года.

В августе-сентябре 1998 году в ходе раскопок были обретены останки пяти архиереев, погребенных под собором. И через год на этом месте начали строительство часовни во имя Всемилостивого Спаса.

Новый собор строится с 2010 года рядом с местом разрушенного и приблизительных формах. 14 августа 2014 года были освящены и подняты на храм четыре малых купола, 28 декабря – центральный купол.