Собор был построен в середине 17 века. Сарматское барокко уникально для Минска: сдержанный декор храма пытается скрыть барочную сущность, которая прорывается в особом исполнении башен-колоколен – все это и сегодня сохранилось. Стоит отметить, что «сарматское барокко» - это осмысление архитектурного стиля барокко, оно характерно для беларусских земель. Само слово «сарматское» указывает на племя сарматов, которые, по преданию, были римскими патрициями. Спасаясь от варваров, они бежали в Восточную Европу. Сарматы стали легендарными прародителями литвинов-беларусов. Эта беларусская интерпретация барокко символически связывает Рим и беларусские земли: сарматское барокко, величественное и строгое, должно подчеркивать аристократитизм потомков римских патрициев.
Храм изначально был включен в комплекс женского католического монастыря бернардинок. В начале 19 века монастырь сильно пострадал от пожара, а в 1852 году российскими властями был упразднен. Также по решению российских властей в 70-х годах 19 века католический собор был отдан Русской Православной Церкви. К счастью, тогдашняя православная клирика, приняв решение о создании в костеле православного Свято-Духов собора и учреждения мужского монастыря, не решилась на перестройку храма в соответствии с православными архитектурными традициями.
Стоит отметить, что на беларусских землях до 1772 года ортодоксальные христиане не видели в Москве «Третий Рим» и подчинялись напрямую – «второму Риму», т.е. Константинопольскому Патриарху. После разделов Речи Поспалитой, Российская Империя достаточно агрессивно ведет себя по отношению к иным конфессиям, а представителей всех греко-католических и ортодоксальных общин «подчиняет» Московскому Патриархату. С точки зрения российских властей, подобная политика должна была обеспечить основу для антибеларусско-польских настроений. На волне «возвращения исконно русских земель в лоно православия» отмечалась перестройка многих костелов и униатских храмов в соответствии с византийскими традициями. Поэтому тот факт, что кафедральный собор сохранил в себе свою архитектурную основу - сарматское барокко, не пострадал серьезно во время войны и не был взорван во время хрущевской оттепели, большая удача.
Сейчас это действующий ортодоксально-христианский храм, в нем проводятся службы в соответствии с традицией РПЦ. Считается, что в нем храниться одна из главных общехристианских святынь Беларуси – икона Божьей Матери. Легенда говорит, что изначально икона была написана евангелистом Лукой. Позже, после Крещения Руси, ее список перевезли из Византии в Киев. Но во время монголо-татарского нашествия, церковь, где она хранилась, была разрушена, а икона, как думали завоеватели, была уничтожена. Но икона оказалась в Днепре и, проделав немалый путь в воды Свислочи, явила собой чудо. 13 августа 1500 года икона была найдена минчанами и позже была признана святыней Минска. По другой версии, это была икона Вознесения Девы Марии, которая была утеряна в 17 веке. Дева Мария считается небесной покровительницей Минска и запечатлена на гербе города.
Сегодня в Свято-Духовым Кафедральном соборе ведутся службы на церковнославянском и беларусском языках, он открыт для посетителей и туристов.