Почти сразу после основания села Екатериновка в заволжской степи в 1770 году началось строительство храма для многочисленных прихожан, крепостных крестьян и дворовых людей графа Алексея Орлова-Чесменского, переселенных на новые земли. Изначально церковь была деревянной.

По желанию графа Орлова летом 1806 года деревянную церковь разобрали и перенесли в соседнее село Александровку, а на ее месте начали возводить каменный храм. Через год граф скончался, но его дочь Анна Алексеевна Орлова-Чесменская продолжила строительство.

Архитектором церкви был крепостной графа. Строительство завершилось в 1813 году и не прерывалось даже во время войны с Наполеоном.

Главный престол освятили в 1813 году в честь великомученицы Екатерины. Позже основным стал престол во имя Святой Троицы, освященный в 1828 году. Два престола разместились в приделах: с южной стороны, во имя великомученицы Екатерины, с северной, во имя Николая Чудотворца, освященный в 1842 году.

Церковь отапливалась и вмещала до 2000 человек. При ней находились каменная колокольня и часовня.

К началу ХХ века Троицкая церковь стала духовным центром округа. В ней одновременно служили до 16 священников, которые активно участвовали в жизни села: преподавали в школе, проводили громкие чтения православной литературы и устраивали спектакли.

Последний священник Павел Петрович Преображенский был арестован в 1937 году и через год расстрелян, после чего церковь закрыли. В 1942 году с колокольни сняли колокола, с куполов, кресты. Учеников училища механизации заставляли сдирать фрески внутри храма кирпичом.

Сначала в церкви разместились механические мастерские, затем хлев. До 1992 года церковь постепенно разрушалась.

В 1992 году по инициативе директора Строительно-монтажного управления № 11 В.А. Симонова и с благословения епископа Самарского и Сызранского Сергия началась реконструкция церкви. Она длилась 2 года и 10 месяцев. СМУ-11, построившее пол-Самары в 60-80-е годы, завершило работы, и в 1996 году церковь была вновь освящена.

Реконструкция велась на пожертвования прихожан и организаций. На фасаде церкви установлены мраморные доски с именами всех, кто активно участвовал в восстановлении храма.

В 2013 году в Екатериновке торжественно отметили 200-летие церкви.