Первая церковь в селе Трехсвятском была основана в честь праздника Покрова Божией Матери и освящена в этот день. Царь Иоанн Васильевич Грозный, узнав о новом селении, отправил туда икону Трех Святителей, которую разместили в единственной на тот момент церкви Покрова Пресвятой Богородицы в Елабуге. Изначально это была деревянная постройка, рядом с которой находился придел во имя Пророка Илии. Отец Петр Кулыгинский, опираясь на воспоминания своего отца, протоиерея Никиты, служившего в этой церкви пять лет, оставил описание ее устройства. Деревянная церковь стояла слева от нынешней, была большой и высокой, с двумя рядами небольших окон, защищенных железными решетками. На крыше было десять глав, покрытых белым железом. С западной стороны к северным дверям вело большое крыльцо на столбах. Внутри вдоль стен и в центре были установлены лавки.

Со временем церковь и придел обветшали и даже горели, поэтому в 1813 году решили построить каменную церковь, третью по счету с момента основания Покровской церкви. В Елабуге в то время активно развивалось кирпичное производство, и качество кирпича было высоким благодаря обилию глины. Строительство велось только летом для обеспечения качества. В 1820 году на пожертвования прихожан началось строительство каменной церкви во имя Покрова Пресвятой Богородицы с приделами Илии Пророка и Трех Святителей. В сборной книге, выданной для строительства в 1776 году, значится, что она была выдана из Елабужского Духовного Правления для записи добровольных пожертвований.

В 1988 году, в честь 1000-летия Крещения Руси, протоиерей Сергий Лепихин был назначен настоятелем в Елабугу. Покровский собор обещали вернуть православной общине еще в январе 1988 года, и во время празднования в Казани это было объявлено как свершившийся факт. Однако на практике все оказалось сложнее.

Приходскому совету пришлось неоднократно обращаться к Совету по делам религии при Совете Министров Татарстана и его заместителю Юрию Васильевичу Михайлову, а также дважды ездить в Москву в Министерство культуры. Только в декабре 1988 года были получены все необходимые документы. До этого прихожане активно участвовали в субботниках, восстанавливая храм. Люди в возрасте 70-80 лет трудились часами, выполняя тяжелую работу с удивительной энергией. Например, Яков Иванович Кобелев, несмотря на почтенный возраст, за двадцать дней почти в одиночку выложил половое покрытие из старых плит. Наконец, 2 октября 1988 года состоялась первая служба в Покровском соборе после долгого перерыва. Разрешение на нее было получено в горисполкоме, а службу возглавил архимандрит Анастасий, ныне правящий архиерей.