Село Екатериновка было основано в 1770 году на землях, принадлежавших братьям Орловым. Изначально в 1774 году в селе была возведена деревянная церковь. В 1806 году граф Алексей Орлов заложил на месте деревянной церкви каменный храм, однако в 1807 году он скончался. Строительство продолжила его дочь Анна, и оно длилось 36 лет. Освящение храма состоялось в 1813 году. Храм является трёхпрестольным, главный престол освящён в честь Святой Троицы.
В 1930-х годах храм был закрыт. Во время Великой Отечественной войны здание использовалось под машинно-тракторную станцию, а позже — как гараж школы механизаторов. К 1980-м годам здание храма находилось в запущенном состоянии. Восстановительные работы начались в 1996 году и завершились к 2013 году. В ходе реставрации были внесены некоторые изменения: парапеты возле входа, ранее имевшие полукруглую форму, стали треугольными; стены храма окрашены в светло-бирюзовый цвет, тогда как ранее они были белыми. В некоторых местах фасада появились мозаики с изображениями Троицы и Спаса, выполненные самарским художником Александром Нагнибедой. Кроме того, была построена новая колокольня на месте ранее снесённой.
Внутреннее убранство храма было полностью восстановлено в соответствии с историческим обликом. Сохранившиеся старинные иконы были возвращены в храм местными жителями. Среди них иконы святой великомученицы Варвары и целителя Пантелеймона, написанные в период эпидемии оспы, а также икона «Взыскание погибших» 1901 года, найденная на чердаке одного из бывших купеческих домов. Икона с изображением Серафима Саровского, написанная на холсте, была отреставрирована в Самаре и возвращена в храм в обновлённом виде. Современные мастера внесли свой вклад, создав новый иконостас и росписи под куполом, гармонично сочетающиеся с историческими элементами интерьера.
