Саратов был основан как сторожевая крепость в 1590 году московскими стрельцами. От своего основания до учреждения в 1799 году Саратовско-Пензенской епархии город в церковном отношении подчинялся астраханским архиереям. Первая деревянная Троицкая церковь, стоявшая на месте собора, была возведена по благословению епископа Астраханского Парфения в 1674—1675 годах. Храм был возведен в течение очень короткого времени на центральной и единственной площади Саратова. Десять лет спустя, в 1684 году Троицкая церковь сгорела дотла в огне очередного саратовского пожара. Оставшийся без прихода протопоп Игнатий Данилов с братией бил челом митрополиту Астраханскому и Терскому Савватию, прося благословить его и «разных чинов» обитателей Саратова приготовлять все, что было необходимо для построения собора, а потом начать и само построение храма «на прежнем месте» и «в тоже наименование».
Переписка с астраханским архиерейским домом продолжалась в течение пяти лет. Только в июне 1689 года митрополит Савватий выслал в Саратов требуемый документ. При этом грамота архиерея не только разрешала начать строительство, но и указывала некоторые конструктивные особенности будущего храма. После этого строительство храма пошло достаточно быстро. Построение собора было делом чести для немногочисленных жителей города. Храм возводился всем миром, и за исключением работ, которые выполнялись специалистами, все остальное делалось городскими обывателями. Уже в 1694 году он был готов к освящению и в октябре 1695 году был освидетельствован присланным из Астрахани архимандритом Иосифом. В акте освидетельствования называлось имя первого настоятеля новопостроенного храма, протопопа Григория Спиридонова. Здесь же указывалось, что храм был крыт «лубьем да драньем», то есть имел деревянную кровлю, и что «у тои же церкви колокольня на столбах, большой колокол 30 три пуда, два колокола по осми пуд, да колокол три пуда, да два колокола пять пуд».
Видимо, тогда же, в октябре 1695 года, сразу же после освидетельствования тем же архимандритом Иосифом с братией были освящены оба храма новопостроенного собора, верхний во имя Святой Троицы, а нижний в честь Успения Божией Матери. В «акте приемки» собора, составленном архимандритом Иосифом, отмечена находящаяся в трапезной нижнего храма «печь обращатая», вероятно, голландская печь, покрытая изразцами. Для провинциального храма конца XVII столетия это было новшество, поскольку средневековые русские храмы из-за боязни пожаров никогда не оснащались печами. В верхней церкви собора печи появились только в конце XIX века. Возможно, теплая нижняя трапезная была местом, где богослужения совершались в зимнее время, в то время как летом служба шла в неотапливаемой части храма. Духовенство Троицкого собора сразу же после его постройки оказалось в трудном положении. Приход был малочисленным, как и весь новопостроенный город. Поэтому на следующий год после освящения храма его настоятель протопоп Игнатий Данилов обратился к государю Петру Великому с челобитною, в которой ходатайствовал о пожертвовании духовенству земельного участка по речкам Чардыму и Сокору в количестве 115 десятин. Государь челобитную принял благосклонно и повелел саратовскому воеводе Андрею Григорьевичу Ляпунову просимый участок «к церкви дать», о чём Ляпунову и была послана Государева грамота от 5 апреля того же 1696 года.
26 октября 2016 года в Свято-Троицком соборе Саратова совершено Таинство Венчания и впервые в России за последние 99 лет, гражданская регистрация брака сотрудниками ЗАГС.
