Первый храм на этом месте был построен в 1763 году при Астраханском епископе Мефодии и представлял собой северо-восточную башню. Церковь освятили в честь святителя Мефодия, патриарха Цареградского. Со временем храм претерпел несколько перестроек, которые изменили его облик. К середине XIX века здание настолько обветшало, что проведение богослужений стало опасным для жизни, поэтому храм закрыли и задумались о его сносе.

В 1876 году умерла почётная астраханская гражданка Екатерина Фёдоровна Башкина. В своём завещании она выразила желание построить в Покрово-Болдинском монастыре храм в честь великомученицы Екатерины, её небесной покровительницы, и перенести туда её прах. Для строительства храма и его будущего содержания она оставила значительный капитал. Было решено возвести новый храм на месте старой Мефодиевской церкви.

Душеприказчик Екатерины Фёдоровны, коллежский секретарь Иван Григорьевич Чудновский, взялся за строительство, которое завершилось к 1894 году. Однако в храме, построенном Чудновским, обнаружили множество недостатков, и его полностью разобрали. Новое строительство началось благодаря инициативе архимандрита монастыря Митрофана Землянского.

Храм был завершён только в 1908 году и освящён 8 июня, в день 200-летия основания Покровской обители. Это событие повлияло на название нового храма. Его освятил Астраханский епископ Георгий Орлов в честь Святителя Мефодия, преподобного Сампсона Странноприимца и великомученицы Екатерины. В советское время внешний вид храма был изменён, а внутреннее убранство утрачено.

В 1970-х годах на территории бывшего монастыря разместилась 1-я городская туберкулёзная больница, ныне это противотуберкулёзный диспансер. В помещении церкви находились больничная лаборатория и архив. В настоящее время на храме восстановлена луковичка с крестом. 6 июля 2012 года в Екатерининской церкви был отслужен молебен, а 11 мая 2013 года здесь провели первую после закрытия монастыря Божественную литургию. Началось восстановление церкви.

Храм построен в неорусском стиле, без трапезной, и имеет небольшие размеры, напоминая часовню. Изначально его завершал железный шатровый верх с блестящим, вызолоченным восьмиконечным крестом и «яблоком». Такие же кресты и «яблоки» меньшего размера украшали четыре боковых фронтона. В юго-восточной части алтаря были широкие двери, ведущие в склеп, где покоилась храмоздательница Е. Ф. Башкина. В склепе находилась икона великомученицы Екатерины, перед которой постоянно горела лампада.