Собор святого Духа включен в Духов монастырь. Впервые монастырь упоминается как существующий в летописи 1162 года.
До середины XIV века все постройки монастыря были деревянными. В 1357 году был построен каменный храм святого Духа, остальные сооружения до середины XVI века продолжали оставаться деревянными.
При подходе войск Дмитрия Донского в 1386 году монастырь сожгли, как и многие другие монастыри.
Нынешний собор святого Духа был построен в 1889–1892 гг.
После революции в начале 1920-х годов Духов монастырь был закрыт, а собор святого Духа в феврале 1926 года передан Губархивбюро для оборудования в нем основного хранилища.
В годы Второй Мировой войны немецкая комендатура в соборе устроила склад.
После войны собор был отремонтирован и вновь занят архивом. Значительных разрушений церковь не имела. В интерьерах частично была утрачена живопись.
В 1984 году архитектором Н. Н. Кузьминой было проведено предварительное обследование памятника и выполнен проект ремонтно-реставрационных работ.
В 1984–1985 годах в соборе были проведены ремонтно-реставрационные работы (замена покрытия центральной главы, укрепление каркаса главы, изготовление и установка креста, ремонт декоративных главок четверика, кокошников и северного крыльца, побелка фасадов и т. д.).
Собор представляет собой образец четырехстолпного однокупольного трехчастного двухэтажного храма конца XIX века с фасадами, решенными в «псевдорусском» стиле, мало встречающегося в Новгородской области.
В соборе находится часть мощей Евфимии Всехвальной и святого Моисея, его посох и чудотворные иконы — Сошествие святого Духа на апостолов, написанная до 1357 года, и святителя Николая, писанная в 1500 году.
