Каменная Свято-Троицкая церковь в Покровской слободе Саратовской губернии была заложена в 1816 году и завершена к началу 1825 года. В мае того же года архимандрит Арсений из Саратовского Спасо-Преображенского мужского монастыря освятил церковь по указу Пензенской Духовной консистории. Церковь была построена на средства прихожан и первоначально не имела колокольни. Единственный престол был освящен в честь Живоначальной Троицы. После освящения в церкви служили два священника, диакон, три дьячка и пономарь, а большинство прихожан составляли государственные крестьяне Покровской слободы.

В 1846 году старший священник Алексий Львович Любенский подготовил проект реконструкции, который утвердила Саратовская строительная комиссия. В это время при храме действовала церковно-приходская школа, а также земская школа, где настоятель храма преподавал Закон Божий. В 1850 году церковь была перестроена и стала трехпрестольной, вероятно, тогда же были построены каменные колокольня и ограда. Состав причта изменился и включал двух священников, диакона и двух псаломщиков. С 1853 года причт начал получать жалование от казны. Здание церкви было застраховано санкт-петербургской компанией «Надежда».

В 1921 году в Свято-Троицкой церкви состоялась диаконская хиротония святого Иоанна Игошкина, а в следующем году, иерейская. В 1930-е годы храм был закрыт, колокольня и купола снесены, а здание постепенно разрушалось. В течение долгого времени в здании церкви размещались читальный зал и хранилища центральной энгельсской городской библиотеки, а также станция юных техников.

В 1990 году полуразрушенное здание храма было передано православной общине, а 25 марта 1992 года приходу было передано здание, где сейчас находятся крестильня, храмовая библиотека, трапезная и подсобные помещения. Здание было полностью изношено, поэтому его пришлось фактически перестраивать. Решением Энгельсского городского Совета народных депутатов от 11 июля 1990 года земля площадью 3,014 га была передана Троицкой церкви в бессрочное пользование и теперь находится в собственности прихода.

7 декабря 1997 года, в день памяти святой великомученицы Екатерины, в Екатерининском приделе храма был установлен и освящен новый иконостас. Освящение провел благочинный Центрального округа Саратовской епархии архимандрит Никон Лысенко. Чин малого освящения придела состоялся в Вербное воскресенье, 12 апреля 1998 года. На Страстной седмице 1998 года был установлен и освящен новый иконостас в Казанском приделе. В январе 1999 года в центральном приделе установили двухъярусный иконостас, созданный под руководством Владимира Шихова, который позже был расширен до пяти ярусов.

В 2007 году в храме расписали центральный свод и изготовили поручи на три киота. Завершено строительство новой воскресной школы. В 2008 году покрасили купола и благоустроили территорию вокруг храма, продолжались отделочные работы.