Первое упоминание о храме в селе Ключи (ранее Мордовский Ключ) относится к 1765 году, когда жители села получили разрешение от Астраханского епископа Мефодия на строительство деревянной церкви во имя Покрова Пресвятой Богородицы. Деревянный храм был построен и функционировал до середины XIX века.
В 1850 году на средства графа Михаила Васильевича Орлова-Денисова, героя Отечественной войны 1812 года и владельца села, была возведена новая каменная церковь. Храм построен в стиле классицизма с элементами постклассицистической архитектуры. Здание представляло собой базиликальную постройку с восьмиколонным портиком на западном фасаде. Над восточной частью располагался декоративный купол, над западной - ярус звона колокольни. Престол в храме был один - в честь Покрова Пресвятой Богородицы.
В 1887 году при храме была открыта церковно-приходская школа для мальчиков. Причт состоял из священника и псаломщика, для которых были предусмотрены общественные дома.
В советский период храм был закрыт, предположительно в 1930-х годах. Колокольня и надхрамовые объемы были разрушены. Здание использовалось не по назначению, что привело к его постепенному разрушению.
В 1991 году в селе Ключи начал восстанавливаться православный приход в честь Покрова Пресвятой Богородицы. Историческое здание храма к этому времени находилось в полуразрушенном состоянии. В 1999 году для совершения богослужений был оборудован временный храм в приспособленном помещении. С этого времени богослужения совершаются регулярно по субботам.
Оригинальное здание храма 1850 года постройки сохранилось частично. В 2013 году произошло обрушение кровли. Храм признан объектом культурного наследия Саратовской области.