Согласно преданию, Свято-Духов монастырь был основан при Свято-Духовской православной церкви, построенной витебским князем Ольгердом в первой половине XIV века на холме (Духовская гора) при слиянии Гапеева, Дуная и безымянного ручьёв. Основание монастыря чаще всего приписывают второй жене Ольгерда Иулиании (Ульяне) Тверской во второй половине XIV века. При этом существует мнение, что монастырь основан в первой половине XIV века первой супругой Ольгерда - Марией Витебской, а Иулиания была второй попечительницей обители.
Незадолго до кончины в 1392 году Иулиания Александровна приняла схиму в монастыре под именем Мария (Марфа) и после смерти была похоронена в нём. Историк М. О. Без-Корнилович в середине XIX века писал, что в монастырском архиве хранился документ о погребении Иулиании в обители, но «куда девался документ неизвестно». Между тем, в Московском летописном своде конца XV века говорится, что Иулиания в монашеском чину была наречена именем Марина, а после смерти весной 1392 г. погребена в Киево-Печерской лавре.
Церковь Святого Духа упоминается в привилее 1503 года, данном жителям Витебской земли польским королём и великим князем литовским Александром Ягеллончиком: «Штож нам в домы церковный, в дом Божий светое Богородицы, и в дом Божий Светого Духа, и теж в дом Божий Благовещенья Пречистое и в иные церькви не вступатися».
В инвентаре города 1552 года в числе главных храмов города Духовская церковь не упоминается, из чего можно сделать вывод, что она не существовала или была в запустении. Но в Инвентаре 1618 года церковь названа в числе каменных.
После принятия Брестской унии 1596 года православие в Витебске подверглось гнёту, однако, не сразу. Произошло это с вступлением униатского епископа Иосафата Кунцевича в должность Полоцкого архиепископа в 1618 году, когда православные храмы города были закрыты. С убийством Кунцевича православными горожанами положение православия в городе ещё более усугубилось. 14 и 18 марта 1635 года польский король Владислав IV выдал два привилея: униатам и православным. Несмотря на общий примиряющий характер документов, в привилее данном униатам говорилось, что «в Витебске, Полоцке и Новогрудке неуниты никогда не должны иметь ни одной церкви». 30 октября 1632 года в «Пунктах успокоения граждан Короны и Великого княжества Литовского русского народа религии греческой» упоминалась пустая церковь Св. Духа «в поле» в Витебске.
В августе 1649 года войско украинского казацкого гетмана Богдана Хмельницкого разбило армию польского короля Яна Казимира под местечком Зборов в Украине. Итогом сражения стал договор Хмельницкого с польским королём, среди условий которого было предоставление свободы вероисповедания православным Великого княжества Литовского и Речи Посполитой, а также возвращение им забранных униатами церквей, среди которых «Богородицы в Витебске Благовещения Богоматери в нижней крепости и церковь за городом Св. Духа». Однако уже в 1652 году Ян Казимир подтвердил привилей, данный униатам Владиславом IV 14 марта 1635 года.
В 1654 году в ходе русско-польской войны русские войска заняли Витебск. С 1661 года в Свято-Духовской церкви возобновились православные богослужения. На чертеже Витебска 1664 года, созданном русскими для царя, церковь изображена каменной. В 1667 году по Андрусовскому перемирию Витебск возвращён Речи Посполитой.
18 января 1697 года униатский архиепископ Полоцкий Мартин Бяллозор (Белозор) выдал грамоту на фундуш земскому судье Витебского воеводства князю Фёдору Лукомскому на постройку женского базилианского монастыря при церкви Святого Духа. Таким образом, первые постройки униатского монастырского комплекса появились на рубеже XVII — начале XVIII веков.
В 1772 году, в результате Первого раздела Речи Посполитой, Витебск вошёл в состав Российской империи. В 1792-1793 годах на средства мещанина Потапа Бибки и его сыновей Свято-Духовский храм был полностью перестроен, в левой башне были повешены колокола, под церковью разместилась крипта с погребениями, были устроены 2 ризницы, 7 алтарей. В обители были возведены каменные 2-этажные келейные корпуса, хозяйственные постройки. При монастыре существовал платный пансион для 19 девочек. В начале XIX века в монастыре жили 14 монахинь.
При присоединении униатских белорусских епархий к Православию в 1839 году Свято-Духов монастырь передан Полоцкой епархии Православной Российской Церкви. Кроме Свято-Духовской при монастыре существовала также тёплая церковь в честь Покрова Пресвятой Богородицы. Она имела размеры ~15х5 метров.
В 1855 году в монастыре было лишь 6 монахинь. Вскоре монастырь был упразднён. Руководство Полоцкой епархии первоначально собиралось устроить в постройках бывшего монастыря центральное духовное училище епархии, однако отказалось от этой затеи из-за ветхости построек и отдалённости от центра епархии. В помещениях монастыря устроили тюрьму. В конце 1860-х годов Свято-Духовская церковь была реконструирована.
В 1872 году в бывшем монастыре разместили Полоцкое женское епархиальное училище, постройки монастыря были при этом перестроены. В 1902 году на месте главного корпуса бывшего монастыря построили новый трёхэтажный корпус училища (сейчас это облисполком), который переходом был соединён с церковью Святого Духа.
Церковь закрыли в 1923 году. В 1954 (или до 1961) году она была разрушена.
3 мая 2001 года Свято-Духов женский монастырь был возрождён решением Синода Белорусской Православной Церкви. Кельи монахинь, трапезная и домовая церковь в честь святой равноапостольной княгини Ольги располагаются в зданиях комплекса культурно-духовного центра у подножия Успенской горы на улице Толстого.
В 2009-2010 гг. к основному зданию, построенному в XIX - начале XX веков, пристроена двухэтажная постройка. В 2010-12 гг. на территории обители возведена новая однокупольная церковь Святого Духа. 24 ноября 2012 года она была освящена архиепископом Витебским и Оршанским Димитрием.
Памятная книжка Витебской губернии на 1865 год. Санкт-Петербург, 1865 г. http://www.evitebsk.com/wiki/Свято-Духов_монастырь
