Храм был заложен в 1816 году на народные пожертвования и имел всего один престол. Всего за несколько десятилетий благодаря усердию прихожан он разросся до величественного трехпрестольного храма с собственной колокольней,
В 1930-е годы храм был закрыт, колокольня и купола снесены, в советские годы здесь размещались городская библиотека и станция юных техников. В 1990 году здание вернули верующим, и начались долгие работы по восстановлению собора .
После масштабной реставрации Свято-Троицкий собор вновь открыт, в 2012 году он получил статус кафедрального собора Покровской епархии. На его территории разместился целый духовно-просветительский комплекс: Покровский епархиальный образовательный центр, мастерская по пошиву церковных облачений, Архиерейская ризница, крестильня с баптистерием. Особой гордостью собора является самый большой колокол в Саратовской области — «Благовест», отлитый на знаменитом заводе Шуваловых.