Каменная Свято-Троицкая церковь в Покровской слободе Саратовской губернии была заложена в 1816 году. Строительство закончилось к началу 1825 года. В мае того же года церковь была освящена по указу Пензенской духовной консистории архимандритом Саратовского Спасо-Преображенского мужского монастыря Арсением. Церковь была построена тщанием прихожан. Колокольни у церкви первоначально не имелось, престол был один – в честь Живоначальной Троицы.

В 1850 году церковь была перестроена и стала трехпрестольной. Правый престол освящен во имя святой великомученицы Екатерины, левый – в честь Казанской иконы Божией Матери. Тогда же были возведены каменные колокольня и ограда. С 1853 года причт, на который первоначально никаких средств не отпускалось, начал получать жалование от казны.

1 января 1851 года заволжские уезды Саратовской губернии (Новоузенский, в который входила Покровская слобода, и Николаевский) в гражданском отношении были переданы новосозданной Самарской губернии, а в церковном – переподчинены от Саратовской епархии к новооткрытой Самарской.

В 1859 г. было открыто мужское училище, где учили детей письму и арифметике, в 1891 г. – женская школа грамоты, затем – церковно-приходская школа. Ктитор храма, покровский купец Николай Алексеевич Ухин (1836 – 1914), передал приходу один из своих домов, в котором была устроена женская второклассная школа. В 1904 году при ней была открыта домовая церковь в честь Введения во Храм Пресвятой Богородицы и во имя преподобного Серафима Саровского, приписанная к Свято-Троицкому храму. Н.А. Ухин в знак признания его заслуг перед Церковью был удостоен чести быть погребенным в ограде храма.

В годы Советской власти: В 1921 году в Свято-Троицкой церкви состоялась диаконская, а год спустя – иерейская хиротония преподобноисповедника Гавриила (Игошкина), определенного на служение в этот храм. В 1930-е годы храм был закрыт, а колокольня и купола были снесены. Оставшаяся часть здания также постепенно разрушалась. Длительное время в здании Троицкой церкви располагались читальный зал и хранилища Центральной Энгельсской городской библиотеки. В одном из зданий храмового комплекса располагалась станция юных техников.

В наши дни: В 1990 году полуразрушенное здание храма было передано в собственность православной общине. 25 марта 1992 года приходу было передано здание, в котором ныне размещаются крестильня, храмовая библиотека, трапезная и подсобные помещения. Степень износа здания составила 100%, поэтому его, фактически, пришлось полностью перестраивать. Решением Энгельсского городского Совета народных депутатов от 11 июля 1990 года земля общей площадью 3,014 га была передана Троицкой церкви в бессрочное пользование. Ныне эта земля находится в собственности прихода.

Труды по восстановлению храма легли на плечи его первого настоятеля, приснопоминаемого протоиерея Александра Керимова (†2003). Он погребен в ограде храма, возвращению которого Церкви отдал столько сил.

В 1993 г. был заново отстроен купол, позже установлена колокольня.

7 декабря 1997 года, в день памяти святой великомученицы Екатерины, в Екатерининском приделе храма был установлен и освящен новый иконостас. Чин освящения совершил благочинный центрального округа Саратовской епархии архимандрит Никон (Лысенко). Чин малого освящения придела был совершен в Вербное воскресенье, 12 апреля 1998 года. На Страстной седмице 1998 года был установлен и освящен новый иконостас в Казанском приделе храма. В январе 1999 года в центральном приделе был установлен двухъярусный иконостас, созданный бригадой художников-резчиков под руководством Владимира Шихова, который в дальнейшем был наращен до пяти ярусов.

В 2004 году произошло важное событие для города и Свято-Троицкой церкви. Из города Воронежа был привезен колокол (благовест) весом в 900 кг. Колокол освятил епископ Саратовский и Вольский Лонгин.

В 2007 году в храме сделана роспись центрального свода. Закончено строительство нового здания воскресной школы. В 2008 году покрашены купола, благоустроена прихрамовая территория.

С января 2012 года на территории храма находится здание Епархиального Управления Покровской епархии.

В связи с образованием Покровской епархии Указом Патриарха Московской и всея Руси Кирилла от 8 февраля 2012 года Свято-Троицкому храму г.Покровска (Энгельса) присвоен статус кафедрального собора.