Первая деревянная церковь в честь Казанской иконы Божией Матери в селе Донская Балка была построена в 1806 году. В том же году храм сгорел, но часть церковной утвари удалось спасти. Вскоре была возведена новая деревянная церковь, которая к 1840-м годам перестала вмещать всех прихожан.
В 1889 году сельское общество заключило договор с подрядчиком Федором Елисеевичем Бессмертным на переустройство церкви. Губернский архитектор Федор Карлович Кнорре составил план новой каменной церкви. В январе 1891 года строительство было официально разрешено, а 2 апреля того же года начались работы. Материал для строительства - ракушечный камень - доставляли из села Бурлацкого на повозках, запряженных волами и верблюдами.
24 мая 1893 года произошло обрушение купола строящейся церкви. Для расследования инцидента была создана комиссия под председательством полковника Стаховского. Строительство продолжили заново. Иконостас и царские врата были изготовлены за границей для другой церкви, но в итоге установлены в Донской Балке. Роспись храма выполнил живописец Умрихин, а установку иконостаса - мастер Василий Алексеевич Беляев.
26 июня 1896 года строительство каменного храма с колокольней было завершено. В 1937 году церковь была закрыта, богослужения возобновились в 1942 году, в период оккупации. В 1980-1981 годах проводилась реставрация внутреннего убранства под руководством ленинградских художников. В начале 2000-х годов был выполнен комплексный ремонт храма, включая реставрацию фресок и установку нового колокола.
Самой древней иконой в храме является образ Казанской Божией Матери 1841 года. Архитектурный стиль церкви характеризуется как эклектика. Храм имеет престол в честь Казанской иконы Божией Матери и сохраняет статус действующего.