Станица Новодонецкая была основана в 1833 году на месте крестьянского поселения, где проживало 240 человек. Первая церковь станицы, возведенная в первой половине XIX века, сгорела. В 1856 году на ее месте была построена деревянная Свято-Троицкая церковь на каменном фундаменте. Размеры церкви составляли: длина вместе с колокольней, 23,1 метра, ширина, 12,8 метра, высота до карниза, 6,4 метра. Со временем здание сильно обветшало, что потребовало строительства нового храма. В 1911 году была заложена каменная церковь, строительство которой завершилось в 1914 году. Торжественное освящение нового храма прошло 31 мая 1914 года, его провел епископ Ейский Иоанн.

Документы, касающиеся проекта и автора Свято-Троицкой церкви в станице Новодонецкой, в архивах не найдены. Предполагается, что автором проекта был Александр Петрович Косякин, который строил похожие храмы в других станицах. В 1916 году количество прихожан составляло 5540 человек, из которых 4170 были казаками с семьями. В храме хранились церковные документы, книги и описи, а также метрические книги с 1830 года, за исключением утраченных в пожаре. Церковно-приходская школа размещалась в здании, принадлежащем церкви, и на ее содержание выделялось 100 рублей ежегодно.

К 1916 году Новодонецкая Свято-Троицкая церковь была не только важным хозяйственным субъектом, но и играла ключевую роль в просвещении и духовной жизни станицы. С 1872 года она относилась к шестому благочинническому округу сначала Кавказской, а затем Ставропольской епархии. В штате церкви служили два священника, дьякон и два псаломщика. Церкви было выделено 264 десятины земли, находящейся в ведении общества, и 165 десятин, находящихся в пользовании причта. В 1916 году в школе обучалось 37 мальчиков и 17 девочек, учительницей была Антонина Ивановна Свитлова.

Кроме церковно-приходской школы, в приходе работали двухклассная министерская школа, женская одноклассная школа, восточное одноклассное смешанное училище и училище на базаре при станции "Бурсак". Богослужения в храме продолжались до 1933 года, после чего его переоборудовали под клуб. Во время Великой Отечественной войны храм вновь открыл свои двери 15 ноября 1942 года, чтобы поддерживать духовность народа. В 1964 году храм был закрыт, а в 1975 году включен в список памятников архитектуры местного значения. В 1978 году здание было передано на баланс краевому управлению культуры и использовалось как склад для химических удобрений, что привело к значительным разрушениям.

В 1990 году был образован приход Свято-Троицкой церкви, настоятелем стал протоиерей Андриан. В полуразрушенном храме вставили окна, и службы проводились в его передней части. С 1991 по 2000 год настоятелем был иерей Сергий Курьянов, который начал реставрацию куполов. С 2001 года настоятелем стал священник Борис Кекеев, который инициировал полную реставрацию храма. В начале 2000-х годов был создан благотворительный фонд "Возрождение" для восстановления храма, руководителем которого стал Алексей Николаевич Ткачев. Проекты восстановления храма начали реализовываться с 2004 года под руководством нового настоятеля, иерея Трофима Щербакова.

С 1 июля 2007 года настоятелем является иерей Александр Ефименко. В 2007-2008 годах была закуплена церковная утварь, написаны иконы небесных покровителей семьи главного благодетеля храма, губернатора Краснодарского края Александра Николаевича Ткачёва. В 2008-2009 годах храм был расписан в неовизантийском стиле, основываясь на проекте Ново-Афонского храма из Абхазии. Роспись выполняли художники из России и других стран, включая Францию и Израиль, используя сюжеты из Нового Завета. В 2008-2010 годах были построены просфорня, водосвятная часовня и здание Воскресной школы.

В настоящее время Свято-Троицкий храм станицы Новодонецкой принадлежит Усть-Лабинскому и Выселковскому благочинию Екатеринодарской и Кубанской епархии. В храме служит второй священник, иерей Алексей Овдиенко. Хор "Древняя Русь" под управлением Юлии Назаренко исполняет песнопения. Деятельность храма включает катехизаторско-миссионерское, социально-просветительское, культурно-творческое и спортивно-туристическое направления.