В ХVII–ХVIII вв. это был главный храм греко-католического (униатского) монастыря ордена базилиан.
Богатый пластикой фасад церкви, возведенной в 1616 (по другим данным, в 1636) году и вобравшей в себя элементы готики, ренессанса и барокко, прежде украшала уникальная монументально-декоративная фресковая живопись на темы жития святых – своеобразный иконостас, вынесенный наружу. Такой прием практически не встречался в культовой архитектуре Европы и был особенностью белорусского зодчества.В 1795 году новые российские власти закрыли униатский монастырь, а церковь Святого Духа передали под кафедральный православный Петропавловский собор. После нескольких перестроек ХIХ века храм приобрел псевдорусские формы. В 1923 году здесь состоялся Собор духовенства, провозгласивший Белорусскую автокефальную православную церковь. Но вслед за Московским патриархатом свое недовольство церковной автономией выразило советское коммунистическое руководство, и вскоре церковные деятели, выступавшие за независимость белорусской церкви, были арестованы.
В 1930 году власти закрыли Петропавловский собор, передав его здание организации «Заготзерно», а в 1936-м и вовсе взорвали. Прочность древних стен заставила подрывников проводить операцию в несколько этапов, а площадь, где находился храм, расчищали потом больше года. На его месте сперва разместили передвижной зверинец, а после войны открыли овощной магазин и пивной ларек. В 2009–2011 гг. церковь Святого Духа была восстановлена на своих фундаментах в первоначальном виде, правда, теперь в ее стенах разместился концертный зал детской филармонии «Верхний город».