Saratov fue fundado en 1590 como una fortaleza de vigilancia por los tiradores moscovitas. Hasta la creación de la diócesis de Saratov-Penza en 1799, la ciudad estaba subordinada a los arzobispos de Astracán en cuestiones eclesiásticas. La primera iglesia de madera de la Trinidad en el lugar de la actual catedral fue construida con la bendición del obispo de Astracán, Parfenio, entre 1674 y 1675. Se levantó rápidamente en la única plaza de Saratov, pero diez años después, en 1684, se quemó en un incendio. El protodiácono Ignacio Danilov y los hermanos se dirigieron al metropolitano de Astracán y Terek, Savvatio, pidiendo permiso para construir un nuevo templo en el mismo lugar.

La correspondencia con la casa arzobispal de Astracán duró cinco años, y solo en junio de 1689 el metropolitano Savvatio envió a Saratov el permiso para la construcción, indicando algunas características constructivas del futuro templo. La construcción comenzó rápidamente gracias a los esfuerzos de los habitantes de la ciudad, y en 1694 el templo estaba listo para la consagración. En octubre de 1695 fue inspeccionado por el archimandrita José de Astracán. En el acta de inspección se mencionaba el nombre del primer rector, el protodiácono Gregorio Spiridónov, así como se describía el techo de madera y el campanario con campanas de diferentes pesos.

En octubre de 1695, el archimandrita José consagró ambos templos de la catedral: el superior en honor a la Santa Trinidad y el inferior en honor a la Asunción de la Madre de Dios. En el acta de aceptación se destacaba el horno en el refectorio del templo inferior, lo que era una novedad para los templos provinciales de la época. Es posible que en invierno los servicios se celebraran en el cálido refectorio, y en verano en la parte no calefaccionada del templo. El clero de la catedral enfrentó dificultades debido a la escasez de feligreses. El rector Ignacio Danilov se dirigió a Pedro el Grande pidiendo la asignación de un terreno, y en 1696 el soberano ordenó proporcionar un terreno a la iglesia.

El 26 de octubre de 2016, en la Catedral de la Trinidad de Saratov, se llevó a cabo el Sacramento del Matrimonio y, por primera vez en 99 años, se realizó el registro civil de un matrimonio por parte de los empleados del registro civil.