Храм Покрова Пресвятой Богородицы в Петровске-Забайкальском ведет свою историю с конца XIX века. В 1895 году прихожане Петропавловского храма Петровского Завода обратились с просьбой о разрешении сбора средств на строительство новой церкви с тремя престолами. Главный престол предполагалось освятить во имя Покрова Пресвятой Богородицы, правый - в честь Николая Чудотворца, левый - в честь святителя Иннокентия Иркутского. В том же году архиерей Забайкальской и Нерчинской епархии Георгий благословил строительство.
Строительные работы начались в 1902 году на улице Большой (ныне ул. Горбачевского) и продолжались шесть лет. Из-за недостатка средств храм возвели деревянным, но с каменным фундаментом и высокой бревенчатой колокольней. В июне 1908 года епископ Мефодий освятил храм, при этом из-за нехватки средств для постоянного иконостаса использовали временный с иконами из Петропавловской церкви.
После установления Советской власти храм был закрыт. Здание использовалось как склад сельхозпродукции, затем было перестроено под почтовое отделение. От первоначального строения сохранились лишь фрагменты фундамента.
В 1996 году православной общине города передали здание по адресу ул. Советская, 6, где ранее располагалась детская музыкальная школа. В начале 2000-х годов началось строительство нового храма в 1-м микрорайоне. 21 декабря 2004 года епископ Читинский и Забайкальский Евстафий заложил первый камень с мощами святителя Димитрия Ростовского. Храм был освящен в 2008 году.
Проект нового храма выполнен в стиле, характерном для новгородской школы церковного зодчества XV века. Авторами проекта стали архитекторы В.И. Сизов и Л.Р. Банзаракцаева из Улан-Удэ. Строительство велось преимущественно на пожертвования жителей и спонсоров.