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.
В 1859 году в приходе Троицкой церкви было открыто первое училище, в 1889 году — второе, содержание им давалось от Новоузенского земства. В сторожке при храме долгое время располагалась канцелярия отделения Самарского епархиального Училищного Совета. В приходе были две школы грамоты, первая из которых была открыта в 1890 году. 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; ныне на его могиле установлен Крест.
В годы Советской власти: В 1921 году в Свято-Троицкой церкви состоялась диаконская, а год спустя — иерейская хиротония святого Иоанна Игошкина (в монашестве Гавриила), определенного на служение в этот храм. В 1930-е годы храм был закрыт, были снесены колокольня и купола. 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.
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.
К храму приписан храм во имя святителя Николая Чудотворца в энгельсской ИТК №13.
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.
В 2015 году на территории Троицкого собора был 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 храм был полностью перекрашен.
В августе 2018 года в соборе оборудована новая крестильня с баптистерием.
В сквере у Свято-Троицкого собора был смонтирован постамент и установлен памятник святым муромским чудотворцам Петру и Февронии. 8 июля 2019 года совершен Чин его освящения.
14.10.2019 г. епископ Пахомий совершил чин освящения колоколов для Свято-Троицкого собора. Комплект колоколов по благословению Владыки Пахомия был отлит на заводе братьев Шуваловых в г.Тутаеве (Романове-Борисоглебске). Большой колокол, Благовест, является самым большим колоколом во всей Саратовской области. 29.11.2019 – состоялся подъём Благовеста на колокольню. 13.12.2019 года открылась переоборудованная звонница.
12 января 2020 года освящено новое здание Епархиального упраления Покровской епархии.
Настоятель: епископ Покровский и Николаевский Пахомий.
Ключарь: священник Виктор Тихонов.
Престолы: Главный — во имя Живоначальной Троицы, в правом приделе — во имя святой великомученицы Екатерины, левый — упразднен.
Освящен: В мае 1825 года иерейским чином. Главный придел переосвящен в 1990 году иерейским чином, Екатерининский придел — 12 апреля 1998 года иерейским чином.
Богослужения: с понедельника по субботу литургия в 8.00, вечернее богослужение в 17.00; в воскресенье и праздники ранняя литургия в 7.00, поздняя литургия в 9.00, вечернее богослужение в 17.00. Дежурный священник находится в храме ежедневно с 8.00 до 13.00.
Службы, действующие при храме: воскресная школа, церковная библиотека. Преподаются: Закон Божий, катехизис, церковнославянская грамота, изучаются жития святых, духовные песнопения, музыкальная грамота.
Церковно-социальная деятельность: на приходе осуществляется сбор одежды и денежных средств для домов престарелых и детских домов города Энгельса.
Как добраться до Свято-Троицкий кафедральный собор г. Энгельс:
автобус №№ 247, 247А, 284.