Храм во имя святой великомученицы Екатерины в станице Краснодонецкой был основан в 1781 году. Первая деревянная церковь была заложена на новом месте после переноса станицы Екатерининской (первоначальное название Краснодонецкой) из затопляемой поймы Северского Донца. Освящение храма состоялось в 1785 году. Для него была написана икона святой Екатерины, имевшая портретное сходство с императрицей Екатериной II, в чьё правление была основана станица.
В 1835 году станица была перенесена на возвышенность, а в 1840 году церковь переместили на каменный фундамент в новый центр поселения. В 1877 году храм полностью сгорел. В 1879 году завершилось строительство новой деревянной церкви с двумя приделами: южным во имя Вознесения Господня и северным во имя великомученика Пантелеимона. Здание было обнесено каменной оградой с деревянными решётками.
В 1886 году при храме открылась церковно-приходская школа, а с 1906 года действовало церковно-приходское попечительство. В 1920 году станица была переименована в Краснодонецкую. В 1930-е годы храм закрыли, купола и колокольню срезали, а здание использовали как зернохранилище. Во время Великой Отечественной войны, в период немецкой оккупации, богослужения временно возобновились.
После войны храм вновь закрыли. Здание стояло заброшенным до 1985 года, когда его передали верующим. В настоящее время храм является действующим. Сохранившиеся особенности включают деревянную конструкцию, что нетипично для степных районов Юга России, и первоначальную планировку с двумя приделами. Храм признан объектом культурного наследия регионального значения.