Saratov a été fondé en 1590 comme une forteresse de garde par des tireurs moscovites. Avant la création de l'Éparchie de Saratov-Penza en 1799, la ville était soumise aux archevêques d'Astrakhan en matière ecclésiastique. La première église en bois de la Trinité à l'emplacement de la cathédrale actuelle a été construite avec la bénédiction de l'évêque d'Astrakhan Parthenius entre 1674 et 1675. Elle a été érigée rapidement sur la seule place de Saratov, mais dix ans plus tard, en 1684, elle a brûlé dans un incendie. Le protodiacre Ignatius Danilov et la fraternité se sont adressés au métropolite d'Astrakhan et de Terek Savvaty pour demander la permission de construire un nouveau temple au même endroit.

L'échange de lettres avec la maison archiépiscopale d'Astrakhan a duré cinq ans, et ce n'est qu'en juin 1689 que le métropolite Savvaty a envoyé à Saratov l'autorisation de construction, en indiquant certaines caractéristiques constructives du futur temple. La construction a commencé rapidement grâce aux efforts des habitants de la ville, et en 1694, le temple était prêt pour la consécration. En octobre 1695, il a été inspecté par l'archimandrite Joseph d'Astrakhan. L'acte d'inspection mentionnait le nom du premier recteur, le protodiacre Grigory Spiridonov, ainsi que la toiture en bois et le clocher avec des cloches de différents poids.

En octobre 1695, l'archimandrite Joseph a consacré les deux temples de la cathédrale : le supérieur en l'honneur de la Sainte Trinité et le inférieur en l'honneur de l'Assomption de la Mère de Dieu. L'acte de réception notait la présence d'un four dans la salle à manger du temple inférieur, ce qui était une nouveauté pour les églises provinciales de l'époque. Il est possible qu'en hiver, les services religieux aient eu lieu dans la salle à manger chauffée, et en été dans la partie non chauffée du temple. Le clergé de la cathédrale a rencontré des difficultés en raison du faible nombre de paroissiens. Le recteur Ignatius Danilov a demandé à Pierre le Grand d'allouer un terrain, et en 1696, le souverain a ordonné de fournir un terrain à l'église.

Le 26 octobre 2016, un sacrement de mariage a eu lieu à la cathédrale de la Sainte-Trinité de Saratov, et pour la première fois en 99 ans, une inscription civile de mariage a été effectuée par des employés de l'état civil en Russie.