Трехпрестольная Свято-Духовская церковь в Херсоне была заложена в 1804 году. Переднюю часть храма построили за одно лето благодаря пожертвованию в 15 тысяч рублей. Однако затем строительство остановилось из-за нехватки средств и завершилось только в 1835 году. В январе 1836 года освятили северный придел в честь священномучеников Херсонесских и южный придел в честь Архистратига Михаила. Главный престол освятил 16 августа 1836 года Архиепископ Гавриил Розанов. По его словам, значительную помощь в строительстве оказали херсонские купцы Галухин, Богданов, Сикачев и Носов, что подтверждает местное предание, называющее церковь "купеческой".

Церковь расположена рядом с городским рынком, из-за чего получила название "привозная", которое сохранилось до наших дней. Изначально храм имел форму квадратного креста с колоннадой и невысоким куполом. В 80 метрах к западу от него возвели пятиярусную колокольню, освященную 6 августа 1806 года, которая служила приходской церковью под именем Преображенской. Она сгорела 19 августа 1941 года, в день Преображения Господня, и была разобрана в послевоенные годы. Сейчас на ее месте стоит часовня с неугасимой лампадой.

В 1907 году к церкви пристроили трапезную, удлинив здание. В подвале трапезной проводились воскресные беседы и репетиции хора. Строителями трапезной называют купцов Ирликовых. Свято-Духовская церковь считалась самой богатой и красивой в городе, с позолоченными иконостасами и утварью.

В 1922 году из храма изъяли церковные ценности, а с 1926 по 1937 год он находился у обновленцев. После этого храм использовался как склад муки до 1944 года. В конце 1941 года в подвале трапезной обустроили храм в честь Преображения Господня. В 1944 году храм вернули верующим, которые начали его восстановление. Были отреставрированы и освящены приделы, но старинная живопись не сохранилась.

До 1945 года кафедральным собором Херсона был Успенский собор, затем Екатерининский. В 1947 году кафедральным собором стала Свято-Духовская церковь. С 1953 по 1960 год настоятелем был протоиерей Борис Георгиевич Старк, который украсил собор и установил новые иконостасы. В 1955-1956 годах одесские художники написали новые иконы для собора.

До 1995 года в соборе не было колокольни, использовались восемь маленьких колокольчиков. Площадь собора составляет 1441 кв.м, высота стен 9,7 м, высота купола 19,7 м.

В 1991 году была образована Херсонская епархия, первым архиереем стал митрополит Леонтий Гудимов. При епископе Илларионе Шукало был расширен и освящен Преображенский нижний придел, построена новая колокольня. Реставрация продолжалась при последующих архиереях.

Главные святыни собора включают чудотворный список Касперовской иконы Божией Матери, Нерукотворный Образ Спасителя, Феодоровскую и Почаевскую иконы Божией Матери, иконы святителя Николая и других святых. В ограде собора находятся могилы протоиереев Леонида Богданова и Иоанна Карлева.