Свято-Троицкий собор в Саратове был основан в 1674–1675 годах по благословению митрополита Астраханского и Терского Парфения. Первоначально храм был деревянным и располагался на центральной площади города. В 1684 году здание сгорело во время пожара, после чего в 1685 году митрополит Савватий выдал грамоту на возобновление строительства. В 1695 году началось возведение каменного собора, завершившееся к 1701 году. Храм был освящен в честь Святой Троицы (верхний престол) и Успения Божией Матери (нижний престол).
В 1712 году собор пострадал от очередного пожара, после чего был расширен: к нему пристроили трапезные и открытую галерею. В 1722–1723 годах завершилось строительство колокольни, выполненной в традиционном русском шатровом стиле. В середине XVIII века на колокольне установили городские часы с боем. В 1774 году храм вновь пострадал от пожара, а в 1786 году митрополит Астраханский Антоний предписал разобрать его из-за ветхости, однако горожане сохранили здание.
В 1798–1799 годах купец Михаил Устинов финансировал укрепление собора каменными контрфорсами и создание новых иконостасов. В XIX веке фасад был дополнен портиком с колоннами в стиле классицизма. В 1826 году собор утратил статус кафедрального, уступив его новому Александро-Невскому собору. В 1936 году храм был закрыт, а в 1942 году возвращен верующим. В 2004–2014 годах проведена масштабная реставрация, включавшая укрепление конструкций и восстановление исторического облика.
Архитектурный стиль собора сочетает элементы московского барокко (нарышкинского стиля) и традиционного русского зодчества. Основной объем храма выполнен в форме восьмерика на четверике, характерной для конца XVII века. Колокольня, изначально стоявшая отдельно, была соединена с основным зданием в 1837 году. В интерьере сохранились росписи палехских мастеров и старинные иконы, включая образ Спаса Нерукотворного, связанный с историей московских стрельцов.
