Раньше на этом месте находилась деревянная часовня, освящённая во имя иконы Сошествия Духа Святого на Апостолов. Каменная Духосошественская церковь в Саратове была построена в 1855-1858 годах. Работы профинансировал саратовский купец Пётр Тюльпин, чья усадьба на улице Чернышевского дошла до наших дней.
Автор проекта этой церкви остался неизвестен. По завершении строительства при храме работала приходская школа. Духосошественский храм закрывали в 1920-х годах, когда передали обновленцам, и в 1939-1947 годах, когда здесь было устроено зернохранилище. До окончания реставрационных работ в Троицком соборе в 2014 году эта церковь считалась кафедральным саратовским собором.
