Троицкая церковь была построена в Покровской слободе в 1816-1825 годах. Автор проекта здания неизвестен, деньги на работы выделили местные прихожане. В 1850 году храм перестроили из одно- в трёхпрестольный. В 1904 году в подаренном приходу доме купца Николая Ухина была открыта домовая Введенская церковь.
В 1930-х годах Троицкую церковь закрыли, были снесены купола и колокольня. В храмовом здании находились хранилища и читальный зал Центральной городской библиотеки Энгельса. В 1990 году его передали православным верующим.
Новый иконостас был освящён в Екатерининском приделе в 1997 году. В ходе реставрации 2016-2017 годов Троицкому собору вернули первоначальный вид. Кроме того, были построены свечная лавка и крещальня, а также расширена колокольня. Сейчас здание является памятником градостроительства и архитектуры регионального значения.
