Вместо молитвенного дома, на его месте, в 1844 году на пожертвования построена деревянная церковь во имя Сошествия Святого Духа. 30 января 1844 года храм освящен протоиереем Гавриилом Ивановичем Чернышевским с тремя священниками при большом стечении народа.

В 1855-1858 годах вместо деревянной церкви построена кирпичная на средства купца П. Ф. Тюльпина в память о безвременно ушедшем сыне. 19 июля 1856 года освящен правый придел во имя Знамения Пресвятой Богородицы. 26 августа 1856 года освящен левый придел во имя святителя Николая Чудотворца. 5 октября 1858 года освящен главный престол во имя Сошествия Святого Духа.

С 1918 года храм, по договору с горисполкомом, содержали верующие. Договор неоднократно расторгался. 2-го декабря 1930 года Саратовский горсовет своим распоряжением запретил церковный звон в городе, колокола со всех храмов были сняты. 2 сентября 1934 года Саратовский горисполком издал распоряжение о временном закрытии ряда церквей города, в том числе и Духосошественской.

В ноябре 1935 года церковь вновь удалось открыть для богослужений. Постановлением Саратовского горсовета от 17 июня 1939 года Духосошественская церковь закрыта.

17 декабря 1947 года храм вновь открыт, стены заново расписаны. В 1948 году главный престол заново освящен Преосвященнейшим Борисом (Виком; †1965), в нём начались регулярные богослужения. В 1995 году левый и правый приделы заново освящены иерейским чином. С 2001 по 2014 годы храм временно кафедральный собор.