Строительство старообрядческой Троицкой церкви в Балакове проспонсировал купец-миллионер Анисим Мальцев. Проект был заказан Фёдору Шехтелю, архитектору, связанному с Саратовом, и был исполнен в 1909 году. Строительством руководил инженер Антонов, а Шехтель в 1910-1914 годах несколько раз приезжал в Балаково для контроля за ним. По одной легенде, материал для облицовки стен привезли из Швеции, по другой — из Жигулёвских каменоломен.
Мозаичные панно на фасадах Троицкой церкви были выполнены в мастерской В.А. Фролова в Санкт-Петербурге по эскизам И.О. Чирикова. Над северными вратами выложена икона Божией Матери «Знамение», над южными — Нерукотворный Спас, над западными — Троица. Колокола храма лили на площади в присутствии зрителей. В 1911 году было завершено возведение основного здания, в 1913 году — крестильни и колокольни. Возле главного входа построили зимнюю церковь, где проводили богослужения в холодное время года.
В 1914 году, через несколько месяцев после смерти спонсора, храм освятил старообрядческий епископ Саратовский Мелетий. До 1916 года дочь Мальцева занималась перестройкой крестильни.
В 1919 году из Троицкого храма в пользу голодающих изъяли серебряные сосуды, оклады, лампады и крест. В 1929 году община церкви подписала документ о «добровольной» передаче её властям из-за невозможности оплатить долги по налогам прихода. В 1930 году Троицкий храм лишился колоколов, а год спустя был реконструирован под драматический театр. Тогда же над западными воротами срубили мозаичное панно, уничтожили алтари, снесли главный шатёр и колокольню. Краска на Спасской мозаике, которой пытались её замазать, не удерживалась. Икону «Знамение» спасла её недоступность после перестройки здания, и вместе со Спасом Нерукотворным в 1932 году она попала под охрану государства как памятник мозаичного искусства.
В 1964 году бывшую церковь перестроили под клуб завода имени Дзержинского. В 1989 году её передали верующим; был освящён приставной Казанский престол. Колокольню восстановили к 1997 году, и на Рождество впервые за долгие годы зазвучали колокола. В 1999 году в приделе освятили престол во имя Александра Невского. В настоящее время на федеральном памятнике реставрируют мозаичные панно.
