Saratow wurde 1590 als Wachtfestung von Moskauer Schützen gegründet. Bis zur Gründung des Bistums Saratow-Penza im Jahr 1799 unterstand die Stadt in kirchlichen Angelegenheiten den astrapolischen Bischöfen. Die erste hölzerne Dreifaltigkeitskirche an der Stelle der heutigen Kathedrale wurde mit der Erlaubnis des astrapolischen Bischofs Parfenij in den Jahren 1674-1675 erbaut. Sie wurde schnell auf dem einzigen Platz von Saratow errichtet, brannte jedoch zehn Jahre später, im Jahr 1684, bei einem Brand nieder. Der Protopop Ignatij Danilov und die Brüder wandten sich an den Metropoliten von Astrachan und Terek, Savvatij, mit der Bitte um Erlaubnis zum Bau einer neuen Kirche am alten Standort.

Der Schriftverkehr mit dem astrapolischen Bischofshaus dauerte fünf Jahre, und erst im Juni 1689 sandte Metropolit Savvatij die Genehmigung zum Bau nach Saratow, wobei er einige konstruktive Merkmale des zukünftigen Tempels anmerkte. Der Bau begann schnell dank der Bemühungen der Stadtbewohner, und im Jahr 1694 war der Tempel bereit zur Weihe. Im Oktober 1695 wurde er von Archimandrit Joseph aus Astrachan begutachtet. Im Begutachtungsakt wurde der Name des ersten Pfarrers, Protopop Grigorij Spiridonov, erwähnt, sowie das hölzerne Dach und der Glockenturm mit Glocken unterschiedlicher Gewichtsklassen beschrieben.

Im Oktober 1695 weihte Archimandrit Joseph beide Kirchen der Kathedrale: die obere zu Ehren der Heiligen Dreifaltigkeit und die untere zu Ehren der Entschlafung der Gottesmutter. Im Abnahmeakt wurde der Ofen im Speisesaal der unteren Kirche vermerkt, was eine Neuheit für die provinziellen Kirchen jener Zeit war. Möglicherweise fanden im Winter Gottesdienste im warmen Speisesaal statt, während im Sommer im unbeheizten Teil der Kirche gefeiert wurde. Das Klerus der Kathedrale sah sich aufgrund der geringen Anzahl der Gemeinde mit Schwierigkeiten konfrontiert. Der Pfarrer Ignatij Danilov wandte sich an Peter den Großen mit der Bitte um Zuteilung eines Grundstücks, und im Jahr 1696 verfügte der Monarch, ein Grundstück für die Kirche bereitzustellen.

Am 26. Oktober 2016 fand in der Heilig-Dreifaltigkeitskathedrale von Saratow das Sakrament der Trauung statt, und zum ersten Mal seit 99 Jahren wurde in Russland eine zivile Eheschließung von Mitarbeitern des Standesamtes durchgeführt.