Троицкая церковь (деревянная) в левобережном Саратове упоминается в 1621 году. Возможно храм построен в 1615 году вместе с крепостью.

После переноса Саратова на правый берег Волги в 1674 году новая деревянная Троицкая церковь построена в 1674—1675 годах. В 1684 году храм сгорел.

В 1685 году митрополит Савватий разрешает возобновить Троицкий собор и выдает храмозданную грамоту, после чего Троицкий храм вновь отстраивается деревянным.

В 1694 году протопоп Игнатий Данилов с соборным духовенством обращается к митрополиту Савватию с прошением о разрешении собирать «всякие припасы» для строительства каменного двухэтажного Троицкого собора и Савватий дает на это свое благословение. Царь Петр I в ответ на челобитную соборного протопопа Данилова в 1696 году одарил Троицкую церковь земельными угодьями, по его же указу была приписана к Троицкой церкви и часовня за Московскими воротами. Доходы от земли, умета и 2-х часовен позволили собрать средства на строительство каменного Троицкого собора, заменившего собой деревянный. В 1697 году протопоп Игнатий Данилов с соборным духовенством обращается к новопоставленному Астраханскому митрополиту Сампсону с прошением о разрешении начать строительство каменного собора. Митрополит дает свое благословение, и в том же году закладывается и отстраивается фундамент собора. В 1698 году было завершено строительство нижнего, Успенского храма. Полностью собор достроен не ранее 1701 года и не позднее 1710 года.

В 18 веке собор претерпел значительные изменения. Проведены две значительные реконструкции: пристройка к западной стороне собора поздней (2-й) трапезной и «устиновская» реконструкция, после чего храм в целом приобрел тот вид, в котором существует и сейчас. Установить точное время постройки колокольни не представляется возможным. Есть основания утверждать, что одновременно с собором была построена лишь нижняя часть колокольни, четверик. Поздняя трапезная пристроена к собору предположительно в 1750-1760-х годах.

Собор страдал от городских пожаров. Наиболее разрушительные последствия пожара 1774 года, в стенах храма появились трещины. Через несколько лет после пожара, по распоряжению Екатерины II из «отнятого от мятежников (пугачевцев) имущества», которого в Астраханской губернской канцелярии хранилось 81 руб. 91/2 коп., была выделена половина суммы для «исправления» погоревшего в Саратове собора. В 1786 году Астраханский митрополит Антоний прислал грамоту, предписывающую даже разобрать храм по причине ветхости и выстроить новый. Но церковь только временно закрыли. В 1798-1799 годах на средства Михаила Андрияновича Устинова под стены собора были подведены контрофорсы, укрепившие здание, и возведена над ними крытая галерея, на западной стороне над галереей устроена 2-х этажная паперть, которую венчал треугольный фронтон. Перестройки храма существенно изменили его первоначальный облик.

Троицкий собор был кафедральным, в нем зачитывались манифесты, провозглашались указы Синода и Сената. Собор посещали многие приезжие исторические личности, а также царственные особы.

В 1936 году собор закрыли. Здание храма передали краевому музею, использовалось под фондохранилище. В 1942 году в соборе так же размещалось и ГАУ НКВД СССР (Главное архивное управление НКВД СССР).

В 1942 году собор вновь стал духовной опорой для прихожан и одним из центров сбора материальных средств для воинов, сражающихся с фашистской Германией. Подготовка «старого» собора к открытию, комплектование причта и двадцатки, а также назначение настоятеля было осуществлено архиепископом Саратовским Андреем (Комаровым). Решением Исполкома Саратовского горсовета депутатов трудящихся 3 октября 1942 года. Свято-Троицкий собор был передан общине верующих в арендное пользование. 6 октября назначенный архиепископом Андреем настоятель храма иеромонах Борис (Вик, будущий Епископ Саратовский и Вольский) подписал договор о передаче собора в арендное пользование с областным отделом народного образования в лице директора Областного музея краеведения М. А. Голубевой.

Вечером 7 октября в праздник преподобного Сергия Радонежского в храме состоялось первое богослужение. 8 октября на утренней литургии свою первую проповедь произнес отец Борис. В тот же день был подписан договор группой верующих, в числе 20 человек и заместителем председателя горсовета Андреем Фроловичем Железняковым о передаче собора группе верующих православного вероисповедания в бессрочное бесплатное пользование. В это время собор вновь стал кафедральным, так как новый собор был уже разрушен.

До 1950-х годов Троицкий собор не был расписан. 22 июня 1949 года Свято-Троицкий собор посетил Святейший Патриарх Московский и Всея Руси Алексий I. Он благословил произвести в нём ремонт и расписать стены собора. Настоятель собора протоиерей Иоанн Цветков привлек к написанию фресок артель иконописцев из Палеха. Росписи были сделаны в обоих храмах Троицкого собора. С 1972 по 1976 годы под руководством ленинградского архитектора Д. Е. Бабенкова купола собора были покрыты медью и позолочены.

В верхнем храме престол во имя Святой Живоначальной Троицы, в нижнем храме в честь Успения Божией Матери. Придел в нижнем храме во имя преподобного Сергия Радонежского. Верхний храм освящен в 1942 году архиерейским чином, нижний храм освящен в 2006 году архиерейским чином.