В источниках за 1626 год упоминается деревянная церковь Троицкого монастыря в Арзамасе. В 1764 году обитель упразднили, а Троицкий храм четыре года спустя перестроили в камне. В 1833 году он подвергся переделкам и был освящён в честь Сошествия Святого Духа.
В 1840-х годах при церковном старосте Александре Ступине, основателе Арзамасской школы живописи, храм обрёл новые иконостас и утварь. Стены были украшены картинами учеников Ступина. В 1860-х годах церковь обнесли кирпичной оградой.
В 1929 году Духовский храм закрыли, в 1930х годах разобрали завершения колокольни и основного объёма. До 1986 года внутри работала городская типография. В 1990-х годах проходила реставрация по проекту НИП «Этнос». В 2005 году Нижегородская епархия получила храм в безвозмездное пользование. Поблизости от него находятся Знаменская церковь, сквер и памятник Ступину.
