Храм был возведен в 1642–1687 гг. как костел монастыря ордена бернардинок. В 1852 году российские власти закрыли обитель, а его насельниц перевели в Несвиж, после чего женский католический монастырь был превращен в мужской православный.

Октябрьская революция прервала духовный «стаж» святыни: новые власти устроили здесь спортзал для пожарной команды, а подалтарные склепы, место захоронения высшего духовенства, стали пересыльной тюрьмой для раскулаченных крестьян. В конце 1930-х было принято решение о сносе храма, к счастью, не успевшее осуществиться. В 1943 году тут возобновились богослужения, а в 1947 г. над собором Святого Духа вновь воздвигли кресты, после чего он уже не закрывался (до перестройки был одной из двух действовавших в Минске церквей).

В Свято-Духовом кафедральном соборе находится чудотворная икона Минской Божьей Матери, которую, по преданию, держал в руках князь Владимир, креститель Руси, а к ее написанию приложил руку сам апостол и евангелист Лука. На протяжении многих веков эта икона находилась в Византии, а с 988 года в киевской Десятинной церкви. В ХV веке Киев был разграблен татарами, а икона лишена украшений и брошена в Днепр. Через некоторое время она приплыла (против течения!) в Минск по реке Свислочь, на берегу которой, напротив Замчища, и была замечена жителями по исходившему от нее сиянию. Произошло это 13 августа 1500 года.