Впервые собор был освящен при Митрополите Астраханском и Терском Сампсоне (†1714) в первое десятилетие XVIII века.
Впоследствии — 7 октября 1942 года Высокопреосвященнейшим Андреем (Комаровым, †1955), Архиепископом Саратовским и Сталинградским (1941–1942).
По окончании реставрационных работ 10 декабря 2006 года Архиепископ Симбирский и Мелекесский Прокл в сослужении Архиепископа Йошкар-Олинского и Марийского Иоанна и Епископа Саратовского и Вольского Лонгина совершил чин Великого освящения нижнего Успенского храма.
2 ноября 2014 года, по окончании масштабных ремонтно-восстановительных работ, Митрополит Саратовский и Вольский Лонгин совершил чин Великого освящения верхнего храма во имя Живоначальной Троицы.
Настоятель: иерей Александр БОРОДОВИЦЫН
Ключарь: иерей Борис БУРЛАКОВ
Благочинный: иерей Алексий ГРАЧЕВ
Клирики:
В храме находятся чтимые иконы - Спас Нерукотворный, Казанская икона Божией Матери, Иверская икона Божией Матери, икона преподобного Серафима Саровского с частицей его погребального облачения. Иконы с частицами мощей: святителя Иннокентия, епископа Пензенского и Саратовского, святителя Феодосия Черниговского, святителя Иннокентия Московского, святителя Филарета, митрополита Московского, Мощевик князя Голицына, содержащий 132 святыни; мощевик с частицей мощей сщмч. Гермогена, и мощевик святителя Иннокентия, еп. Саратовского и Пензенского.
С понедельника по субботу: Литургия в 08.00. В воскресенья и праздники: ранняя Литургия в 07.00, поздняя Литургия в 09.00. Ежедневно: вечернее богослужение в 17.00. Дежурный священник находится в храме с 08.00 до 15.00. Читаются акафисты (во время вечернего богослужения): по средам - Спасителю, по воскресеньям - Божией Матери. Каждую субботу в 16.30 в соборе совершается молебен о семейном благополучии, о помощи Божией в различных сложных ситуациях, которые могут возникнуть в семье. Раз в месяц совершаются молебны для страждущих от зависимостей и их родственников перед иконой Божией Матери «Неупиваемая Чаша».
Кафедра саратовских архиереев находилась в Свято-Троицком соборе с момента образования Саратовской епархии в 1799 году до 1826 года, когда был освящен новый Александро-Невский кафедральный собор. В ХХ веке, в период гонений на Церковь, Троицкий собор был закрыт в 1936 году, последним из саратовских храмов, и вновь стал действующим (первым в епархии) в конце 1942 года. С этого времени он вновь становится кафедральным.
К концу 1990-х годов собор пришел в аварийное состояние: прогрессирующая деформация фундамента стала причиной отклонения колокольни от своей оси.
По благословению Архиепископа Александра (Тимофеева †2003), управлявшего в то время Саратовской и Вольской епархией, в соборе было ограничено количество богослужений, которые совершались только в нижнем, Успенском храме. В марте 2001 года Архиепископ Александр обратился к Святейшему Патриарху Алексию II с прошением перенести архиерейскую кафедру во второй из сохранившихся старинных храмов Саратова, также действовавший в советское время, ― Духосошественский собор ― «до восстановления разрушенного в 30-е годы кафедрального собора во имя святого благоверного князя Александра Невского или до полной реставрации Свято-Троицкого собора».
На основании Указа Святейшего Патриарха Алексия II от 16 марта 2001 года статус кафедрального был временно присвоен Духосошественскому храму.
С 2004 года в Троицком соборе проводилась масштабная реконструкция, которая включала в себя укрепление стен, фундамента и колокольни, полную замену коммуникаций, производство внешних и внутренних отделочных работ, благоустройство территории. Была проведена также реставрация старинных храмовых икон, наиболее почитаемой из которых является образ Спаса Нерукотворного.
Нижний Успенский храм
С 2004 года в течение трех лет производилась реставрация нижнего Успенского храма Троицкого собора. Были сделаны новые полы, заменены коммуникации. Потемневшие и осыпавшиеся настенные изображения 60-х годов XX века, не имевшие художественной ценности, были полностью удалены. Мастерами Палехской иконописной мастерской «Лик» под руководством Олега Романовича Шуркуса были заново расписаны стены храма. Росписи, выполненные в стиле XVII столетия, приблизили интерьер храма к стилю его архитектуры. Артелью иконописцев из Палеха изготовлен новый иконостас, сохранивший основные художественные формы прежнего иконостаса, к которому привыкли прихожане.
За несколько лет была произведена полная реставрация фасадов собора, был воссоздан его исторический архитектурный облик. Был открыт цоколь собора, скрывавшийся под культурным слоем. Были отремонтированы контрфорсы и основания стен, произведена вычинка кирпичной кладки, стены были вновь оштукатурены. Заново были выполнены утраченные элементы храмового декора: наличники, сандрики, карнизы. Архитекторами было предложено новое цветовое решение фасадов собора, учитывающее воссозданные элементы декора. Произведена замена стропильной конструкция кровли, выполнено ее медное покрытие. Также были покрыты медью выступающие части фасада храма: карнизы, контрфорсы. С северной стороны собора была изготовлена лестница, ведущая на галерею и колокольню.
10 декабря 2006 года, по окончании реставрационных работ в нижнем Успенском храме Свято-Троицкого собора, Архиепископ Симбирский и Мелекесский Прокл в сослужении Архиепископа Йошкар-Олинского и Марийского Иоанна и Епископа Саратовского и Вольского Лонгина совершил чин Великого освящения нижнего Успенского храма.
В 2007 году на протяжении нескольких месяцев в соборе велась реставрация куполов. Были изготовлены позолоченные подзоры куполов и четверика.
После завершения реставрации фасадов, в 2007 году, начались работы по восстановлению открытой галереи. Осуществлена замена подшивки потолка, воссоздано мозаичное покрытие пола из керомогранита.
Параллельно с реставрацией фасадов проводились работы по благоустройству территории. Архитектором Еленой Ивановной Марченко был разработан подробный проект, который включал в себя не только наружное благоустройство, но и вертикальное планирование и водоотвод с территории. Были построены новая ограда храма и центральные ворота, ведущие на площадь перед собором. Благоустройство парка выполнено по проекту Нины Викторовны Фурман.
В 2009 году велась реставрации закрытого гульбища. Были заменены подшивка потолка, напольное покрытие, штукатурка стен, витражи, проведено отопление, выложены гранитные лестницы.
Верхний Свято-Троицкий храм
В 2013 году были начаты масштабные ремонтно-восстановительные работы в верхнем храме во имя Живоначальной Троицы Свято-Троицкого кафедрального собора.
В 2014 году работы были полностью завершены.
26 октября 2014 года, во время Первосвятительского визита в Саратов, Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл посетил Троицкий собор и огласил свой Указ: «В связи с завершением реставрационных работ присвоить Свято-Троицкому храму г. Саратова статус кафедрального собора. Церкви Сошествия Святого Духа г. Саратова, временно имевшей статус кафедрального собора, официально именоваться «Храм Сошествия Святого Духа»».
2 ноября 2014 года Митрополит Саратовский и Вольский Лонгин в сослужении духовенства совершил чин Великого освящения верхнего храма Свято-Троицкого кафедрального собора г.Саратова.
28 декабря 2020 года указом митрополита Саратовского и Вольского Игнатия собору был присвоен статус Архиерейского подворья.
Здание административно-хозяйственного и культурно-просветительского назначения
В 2010 году на территории Троицкого кафедрального собора завершено строительство нового корпуса, в котором размещается воскресная школа, просветительский центр, службы административно-хозяйственного назначения.
Воскресная школа для трех возрастных групп: младшей (с 6 до 10 лет), средней (с 10 до 13 лет), старшей (с 14 до 18 лет). Занятия проходят по воскресным дням. Изучаются Закон Божий, Ветхий и Новый завет, литургика, пение, рисование, рукоделие и ряд других предметов. Действует воскресная школа для взрослых. С 2014 года действует школа звонарей. С 2016 года действует молодежное общество «Ковчег».
Православная волонтерская служба «Добро» Свято-Троицкого собора г. Саратова окормляет Саратовский центр социальной адаптации для лиц определенного места жительства «БОМЖ», помогает обращающимся бездомным.
При воскресной школе создана группа для детей из школы-интерната № 5 г. Саратова. С ними проводятся занятия по Основам Православия. Свято-Троицкий собор оказывает помощь в организации факультатива «Основы Православной культуры» интернату № 4 г. Саратова. На приходе организована помощь престарелым пенсионерам. Организовано бесплатное питание для людей, попавших в сложную жизненную ситуацию.
Просветительская и катехизаторская деятельность:
В 2012 году при Свято-Троицком соборе был создан Музей истории Троицкого собора, в котором собраны церковные предметы, представляющие историческую и художественную ценность, а также архивные документы, связанные с историей старейшего храма в контексте истории Саратова.
С 2007 года издается газета «Троицкий листок». В настоящее время выходит в электронном виде четыре раза в год.
Группа собора ВК: https://vk.com/trosobor