Строительство каменного храма было завершено в 1833 году на средства местных прихожан. Первоначально церковь была однопрестольной, холодной, с престолом во имя Святой Живоначальной Троицы, и вмещала от 345 до 390 молящихся. Село Малое Перекопное в то время входило в состав Николаевского уезда Самарской губернии.
При храме в 1843 году было открыто сельское общественное училище, размещавшееся в церковной сторожке. В 1863 году оно было преобразовано в земское училище, а в мае 1868 года при храме начала работу воскресная школа.
В 1887 году был разработан проект расширения храма, который предусматривал пристройку и увеличение его вместимости. Однако первоначальный проект, утвержденный 19 июня 1887 года Строительным отделением Самарского губернского управления, не получил одобрения Епархиального управления из-за недостаточного увеличения площади. Впоследствии был создан новый проект, предполагающий снос трапезной и колокольни с последующим расширением храма и строительством новой колокольни. Этот проект был утвержден 5 августа 1891 года и одобрен Епархиальными властями.
Строительство по новому проекту велось исключительно на средства прихожан, что обусловило длительность работ. К 1897 году храм был преобразован в трехпрестольный, теплый, способный вместить до 1500 богомольцев. Главный престол был освящен во имя Святой Живоначальной Троицы 27 сентября 1897 года, правый придел — в честь Казанской иконы Божией Матери 1 ноября 1901 года, левый придел — во имя святых бессребреников Космы и Дамиана 2 ноября 1901 года. В 1898 году при храме была открыта церковно-приходская школа, разместившаяся в деревянной сторожке, находившейся в десяти саженях от церкви.
В период советской власти, согласно административно-территориальному делению, село Малое Перекопное 15 июля 1928 года вошло в состав Нижневолжского края, а затем — Саратовской области. Богослужения в Свято-Троицком храме продолжались до 1935 года, после чего храм был закрыт.
Восстановительные работы начались в 1997 году по инициативе местных жителей. 1 ноября 2001 года состоялось празднование столетия храма. 13 декабря 2003 года благочинным Балаковского округа был совершен чин положения Святого Антиминса в восстановленном правом приделе. В храмовый комплекс входят здание храма и причтовый дом. 2 октября 2010 года епископ Саратовский и Вольский совершил Великое освящение храма. Храм является памятником архитектуры областного значения.
