Село Екатериновка было основано в 1806 года полковником Степаном Дмитриевичем Иловайским. В первой трети XIX века был возведен первый деревянный храм в честь архистратига Божьего Михаила, который простоял около 50-ти лет. В современном храме находится уникальное историческое полотно «Собор архангела Михаила», которое принадлежало этому храму. Обнаружено оно было на чердаке соседней церкви Успения Пресвятой Богородицы села Анастасиевка настоятелем храма в 2016 году. В 2018 году его отреставрировали в Государственной Третьяковской галерее, благодаря исполнявшему на тот момент обязанности наместника Свято-Донского Старочеркасского монастыря иеромонаху Рафаилу (Митрофанову), а также благодетелям прихода — уроженцам села Екатериновка братьям Михаилу и Валерию Мирющенко.
29 июня 1887 года был заложен новый большой каменный храм в честь Святой Живоначальной Троицы. Об этом событии сохранилась оригинальная металлическая закладная доска, которая находится в храме. Проект храма был выполнен инженером-архитектором Карлом Фёдоровичем Кюнцелем. Возведение завершилось в 1895 году, а в 1897 году храм был освящён полным чином. В годы атеистического лихолетья храм пытались закрыть, но прихожане отстояли свою святыню. Во время боёв Миус-фронта 1941-1943 годов храм сильно пострадал и лишился колокольни.
После Великой Отечественной войны приход просуществовал до декабря 1959 года, тогда он был закрыт по решению местной советской власти.
В 1999 году, по благословению правящего архиерея Ростовской и Новочеркасской епархии архиепископа Пантелеимона (Долганова), был зарегистрирован приход, но уже в честь великомученицы Екатерины. Храм был приписным до назначения в 2016 году настоятелем прихода иеромонаха Михаила (Владимирова).
С 2018 году начались масштабные восстановительные работы в интерьере. В 2022 году храм отметил 125-летие со дня освящения, богослужение в этот день возглавил митрополит Ростовский и Новочеркасский Меркурий.
