Первая церковь в Новоузенске была возведена в 1806 году. Это был деревянный храм, посвящённый святой великомученице Екатерине, который был разобран и перемещён в деревню Чертанлу из упразднённой крепости Узень. Долгое время эта церковь оставалась единственной в поселении, но после того как Новоузенск стал уездным городом, она уже не соответствовала требованиям и не могла вместить всех верующих. Вскоре в городе построили первый собор, а старая Екатерининская церковь из-за ветхости была разобрана и в 1864 году восстановлена как кладбищенская. Она была деревянной, холодной, с отдельно стоящей колокольней и одним престолом, освящённым 25 мая 1865 года.

Кладбищенская церковь не имела собственного прихода и была приписана к собору. Она простояла до начала XX века. В 1904 году был утверждён проект новой Екатерининской церкви, которую решили построить на Хлебной площади в заречной части города. Проект подготовил и возглавил строительство саратовский архитектор А. М. Салько. Третья Екатерининская церковь, деревянная и тёплая, была освящена 13 ноября 1911 года. Однако службы в ней продолжались недолго. После Октябрьской революции церковь была закрыта и вскоре разрушена.

Церковная жизнь в Новоузенске возродилась в июне 1989 года, когда в городе вновь зарегистрировали православный приход. Поскольку все храмы были разрушены, с 21 сентября богослужения временно проводились в жилом доме на Рабочей улице. В 1994 году, по инициативе прихожан, районная администрация передала общине деревянное здание бывшей центральной библиотеки, построенной в 1918 году, находившееся в аварийном состоянии. 23 апреля того же года состоялось малое освящение храма во имя великомученицы Екатерины и первая Божественная литургия, после чего началась длительная реконструкция здания. В 1995 году к зданию пристроили колокольню, а в 2002 году храм облицевали кирпичом. Территория вокруг храма была благоустроена, и продолжается реставрация и улучшение самого здания.

11 сентября 2015 года епископ Пахомий провёл чин основания нового храма во имя святой великомученицы Екатерины. Каменное здание на 600 прихожан было заложено рядом с краеведческим музеем и старой церковью. 30 июня 2016 года были освящены купола и кресты храма, а после завершения строительства 4 декабря того же года митрополит Саратовский и Вольский Лонгин, епископ Покровский и Николаевский Пахомий и епископ Балашовский и Ртищевский Тарасий совершили Великое освящение Екатерининской церкви.