Свято-Троицкая церковь в Покровской слободе построена в 1816-1825 годах. В 1850 году церковь перестроена, стала трехпрестольной.

В 1930-е годы храм закрыт. Разрушена колокольня и купола. 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 1990 году церковь возвращена верующим. Труды по восстановлению храма легли на плечи первого настоятеля, приснопоминаемого протоиерея Александра Керимова (†2003). Он погребен в ограде храма, возвращению которого Церкви отдал столько сил.

7 декабря 1997 года, в день памяти святой великомученицы Екатерины, в Екатерининском приделе храма установлен и освящен новый иконостас. Чин освящения совершил благочинный Центрального округа Саратовской епархии архимандрит Никон (Лысенко). Чин малого освящения придела совершен в Вербное воскресенье, 12 апреля 1998 года. На Страстной седмице 1998 года установлен и освящен новый иконостас в Казанском приделе храма. В январе 1999 года в центральном приделе установлен двухъярусный иконостас, созданный бригадой художников-резчиков под руководством Владимира Шихова, который в дальнейшем наращен до пяти ярусов. В 2007 году в храме сделана роспись центрального свода. Закончено строительство нового здания воскресной школы. В 2008 году покрашены купола, благоустроена территория церкви. С января 2012 года на территории храма находится здание Епархиального Управления Покровской епархии. В связи с образованием Покровской епархии, Свято-Троицкому храму присвоен статус кафедрального собора. В 2015 году на территории Троицкого собора построено двухэтажное здание, в котором располагается Покровский епархиальный образовательный центр, мастерская по пошиву церковных облачений, Архиерейская ризница.

Весной 2016 года началась масштабная реставрация собора, ему возвращен первоначальный вид. Достроена и расширена колокольня, возведены дополнительные помещения при храме (крещальня и свечная лавка), обновлен фасад. Летом 2017 года храм полностью перекрашен.