Строительство каменной Свято-Троицкой церкви в Покровской слободе Саратовской губернии было инициировано в 1816 году на средства прихожан. К началу 1825 года основные строительные работы были завершены, и в мае того же года храм был освящен архимандритом Саратовского Спасо-Преображенского мужского монастыря Арсением по указу Пензенской духовной консистории. Первоначально церковь имела один престол во имя Живоначальной Троицы и не обладала колокольней.
В 1846 году Саратовская строительная комиссия утвердила проект реконструкции храма, разработанный при участии старшего священника Алексия Львовича Любенского. Проект предусматривал расширение здания, возведение колокольни и ограды, установку печей и обустройство двух приделов. В результате проведенных работ в 1850 году церковь стала трехпрестольной: главный престол был освящен во имя Живоначальной Троицы, южный — во имя святой великомученицы Екатерины, а северный — в честь Казанской иконы Божией Матери. Тогда же были возведены каменная колокольня и ограда.
С 1853 года причт храма, ранее не получавший средств от казны, начал получать жалование. В 1859 году при храме было открыто первое училище, а в 1889 году — второе; их содержание обеспечивалось Новоузенским земством. В сторожке при храме длительное время размещалась канцелярия отделения Самарского епархиального Училищного Совета.
В советский период, как и многие религиозные учреждения, собор пережил сложные времена, связанные с политикой государства в отношении религии. Однако, несмотря на испытания, здание храма сохранилось и продолжило свое существование.
В настоящее время Кафедральный собор Троицы Живоначальной является действующим храмом и духовным центром города Энгельса. Ежедневно в нем совершаются богослужения, собор обретает новые святыни и почитаемые иконы, часто становится центром значимых епархиальных событий. В 2025 году собор отметил свое 200-летие.
Архитектурно собор представляет собой образец классического стиля с элементами, характерными для православного зодчества XIX века. Здание отличается гармоничными пропорциями, наличием традиционных куполов и колокольни, что придает ему величественный и монументальный вид. Внутреннее убранство храма украшено иконостасом и росписями, соответствующими канонам православной церкви.
