Село Екатериновка основано в 1806 году полковником Степаном Дмитриевичем Иловайским. В 1850 году здесь заложили, а в 1852 году построили деревянную церковь Архистратига Михаила. Со временем здание обветшало, и в 1897 году на его месте возвели каменный однопрестольный храм во имя Святой Животворящей Троицы. Строительство велось на средства вдовы надворного советника Екатерины Дмитриевны Волковой, а также при финансовом участии крестьян села Екатериновка и поселка Новоселовского Миусского округа Области Войска Донского.
Храмовая архитектура включала трапезную и колокольню. Апсида алтаря имела трехгранную форму. Над молельным залом возвышался восьмигранный световой барабан, увенчанный шатровой крышей. Иконостас и внутреннее убранство создавались преимущественно на средства, завещанные войсковым старшиной И.Т. Чернояровым. Территорию храма обнесли кирпичной оградой. При храме действовала церковно-приходская школа, имелся дом священника.
После Октябрьской революции богослужения продолжались до 1938 года, после чего храм закрыли. В период Великой Отечественной войны здание подвергалось обстрелам и пожарам, неоднократно открывалось и закрывалось для богослужений. Окончательное закрытие произошло в конце 1950-х годов. В советский период храм не использовался по назначению и постепенно разрушался.
В 1999 году в селе зарегистрировали приход во имя великомученицы Екатерины. С 2008 года начались восстановительные работы силами прихожан. Богослужебная деятельность возобновилась в 2010 году. 7 декабря 2016 года, в день памяти святой Екатерины, состоялось освящение храмовой иконы великомученицы Екатерины, написанной в Ростове-на-Дону иконописцем Александром Лысаком на пожертвования местных жителей.