Храм был построен для старообрядческой общины Белокриницкой иерархии на средства местного купца-старообрядца Анисима Мальцева. Он не жалел на него денег и Троицкий храм, пожалуй, стал первым столь грандиозным старообрядческим храмом после появления знаменитого Указа Николая II «О веротерпимости» (17 апреля 1905 г.), который уравнял в правах россиян разной веры.
Церковь построена по проекту знаменитого зодчего, яркого представителя русского модерна, Фёдора Осиповича (Франца Адольфа) Шехтеля, который называл этот храм лучшим из своих творений. С этим соглашались и современники. Вот что писала газета «Саратовский листок» 11 сентября 1913 года: «Нет сомнения, когда церковь окончится постройкой, то многие будут приезжать, чтобы осмотреть это чудо архитектуры и «древнего благочестия».
Храм действительно поражает своей необычностью. Он сложен из светло-серого камня, который привозили из Жигулей. Камни весом в десятки килограммов настолько плотно подогнаны друг к другу, что кажется - здание виртуозно высечено из огромной глыбы.
Над главным входом – два величественных широкоугольных фронтона, которые в архитектуре называются щипцами: передний с тремя окнами посередине и задний, фоновый, чуть повыше. Основное здание накрыто высоким шатром. Он опирается на огромный барабан с узкими высокими оконными проёмами, которые напоминают бойницы старинной крепости.
Входной «комплекс» выдвинут вперёд. По арке над дверью пущены окантовкой полуколонны, «связанные» в пучок. Над входом – высокий «кокошник» с изображением Троицы, главного символа храма и старообрядчества.
Справа от входа – колокольня, слева – приземистая крестильня. Она хоть и соединена с основным зданием галереей, но воспринимается как нечто самостоятельное. По проекту Шехтеля предполагалось сделать её более изящной, но, по просьбе дочери храмостроителя, впоследствии крестильня была расширена. Отсюда и это ощущение обособленности. Впрочем, общую гармонию храма это не нарушает.
Алтарная сторона здания словно повторяет рисунок главного фасада, только вместо двери здесь три полукруглых пристройки в виде куличей – всё тот же символ Святой Троицы.
Храм украшен мозаичными панно, выполненными по эскизам И.О. Чирикова в знаменитой петербургской мастерской В.А. Фролова: икона Божией Матери «Знамение» - над северными воротами, Нерукотворный Спас - над южными. Троица над главным входом тоже была сложена из мозаики, но в 1930-е годы, её снесли вместе с «крамольным» козырьком. Тогда же вместо него надстроили второй этаж-галерею и мезонин с колоннами, а купола храма и колокольни срезали. Восстановлен внешний вид уникального собора был только в первые годы XXI века.
Иконостас в том виде, каким он был задуман архитектором, восстановить не удалось. Анисим Мальцев в течение всей жизни покупал очень ценные старинные иконы. Они, по всей видимости, и стали основой для иконостаса. Однако в советское время иконы «разлетелись» по стране, и пока место их нахождения выяснить не удалось. Возможно, часть их осела в Эрмитаже, Русском музее и Музее изобразительных искусств им. А.С. Пушкина.
Планировалось покрыть фресками стены внутри храма. Но Троица была возведена в год начала Первой мировой войны, к тому же в феврале 1914-го скончался и Анисим Мальцев, потому задумка архитектора так и не была воплощена в жизнь.