Заложенная в 1717 году Железинская крепость стала вторым после крепости Ямышевской укрепленным пунктом на территории нынешнего Павлодарского Прииртышья. В крепости была построена церковь и впоследствии образован православный приход. С упразднением Иртышской линии Железинская крепость в 1838 году стала станицей Сибирского линейного казачьего войска, а впоследствии поселком.
В «Летописи Железинской Свято-Троицкой церкви» так говорится о первом храме в Железинской крепости: «За неимением в церковном архиве данных определить времени основания Железинского прихода и построения в оном первой церкви нельзя; но, принимая во внимание постепенное передвижение военной линии вверх по р. Иртышу и основание на пути, проложенном военной Сибирской экспедицией, русских военных поселений и крепостей, к числу которых относятся первые по Иртышской линии Ямышевская, Омская и Железинская крепости, основанные в начале XVIII столетия, то надобно заключить, что первая церковь в Железинской крепости построена в начале основания ее… Из дел же Железинского церковного архива, сохранившегося с 1751 года, видно, что в 1751 году в Железинской крепости была уже крепостная церковь во имя Всемилостивого Спаса, которая, как видно из донесений коменданта Железинской крепости Майора Баженова, в феврале 1765 года сгорела, и он, Баженов, по предложению Г[осподина] Генерал-поручика и кавалера Шпрингера в 1766 году просил Тобольское Епархиальное начальство вместо сгоревшей деревянной крепостной церкви построить вновь на каменном фундаменте деревянную же церковь во имя Всемилостивого Спаса, на что в том же году последовало разрешение…».
16 декабря 1766 года комендант Железинской крепости майор Е. Баженов подал рапорт митрополиту Тобольскому и Сибирскому Павлу о благословении на строительство новой деревянной церкви в Железинской крепости на каменном фундаменте взамен сгоревшей.
20 декабря 1766 года была выдана грамота Митрополита Тобольского и Сибирского Павла на закладку второй деревянной церкви во имя Всемилостивого Спаса в крепости Железинской вместо сгоревшей
9 января 1767 года протопоп Петр Федоров подал рапорт митрополиту Тобольскому и Сибирскому Павлу о получении благословенной грамоты на строительство новой деревянной церкви в Железинской крепости.
15 мая 1767 года в Железинской крепости состоялась закладка новой деревянной церкви на каменном фундаменте.
Церковь строилась три года и 18 июня 1770 года Железинская комендантская канцелярия донесла Тобольскому Епархиальному Начальству, что церковь строением окончена, и канцелярией испрашивалось разрешение на ее освящение.
В 1774 году с разрешения Тобольского Епархиального Начальства в церкви были произведены некоторые исправления – устроена перегородка для стояния женщин и по причине течи над алтарем перекрыта кровля.
В 1786 году главнокомандующий Сибирским военным корпусом генерал-поручик Николай Гаврилович Огарев, осматривая Железинскую крепость, нашел, что деревянная церковь обветшала, и 7 октября этого же года он обратился к епископу Тобольскому и Сибирскому Варлааму за дозволением построить вместо приходящей в ветхость деревянной, новую каменную церковь во имя Всемилостивого Спаса с приделом в честь Казанской иконы Божьей Матери.
Закладка новой придельной каменной церкви в честь Казанской иконы Божией Матери состоялась в 1787 году рядом со старой деревянной церковью, с правой ее стороны. Завершено строительство в 1793 году.
22 ноября 1793 года архиепископ Тобольский и Сибирский Варлаам выдал Святой Антиминс и грамоту на освящение построенного бокового придела. 18 декабря 1793 года священник Андрей Неводчиков совершил освящение придельной церкви в честь Казанской иконы Божией Матери.
Таким образом, боковой придел был освящен раньше главного. Возможно, это связано с тем, что пока обсуждался вопрос о переименовании Спасской церкви в Троицкую, чтобы не оставить прихожан без богослужения, освятили боковой придел.
Строительство каменной церкви было завершено в 1801 году и 25 мая священник Железинской церкви во имя Всемилостивого Спаса Иоанн Васильев направил в Семипалатинское духовное правление репорт о пожаловании нового атласного Антиминса и благословенной грамоты на освящение законченного постройкой каменного храма с переименованием его во имя Святой Единосущной Животворящей и Нераздельной Троицы.
Деревянная же обветшавшая церковь по распоряжению Семипалатинского духовного правления от 26 октября 1804 года была разобрана и употреблена в пользу новой церкви.
Позже по желанию прихожан и их усердием был устроен еще один придел – в честь Святителя и Чудотворца Николая. 6 мая 1824 года по благословению архиепископа Тобольского и Сибирского Амвросия семипалатинский протоиерей Никита Дерябин совершил освящение Никольского придела.
Железинский храм разделялся на две половины: теплую и холодную. Холодная половина заключала главный придел во имя Святой Троицы. Остальные два придела находились в теплой половине храма.
В продолжение своего существования храм как внутри, так и снаружи получал исправления: так, в 1841-1842 годы усердием прихожан вместо деревянной кровли устроена железная, а в 1851-1853 годах усердием церковного старосты Фаддея Новоселова и других вместо деревянной ограды построена была железная на каменном фундаменте с чугунными столбами, отлитыми по заказу на Каслинском заводе на Урале. В церковную ограду вели три двери. В ограде стоял кирпичный памятник с крестом наверху: возможно, памятником было отмечено место престола первого храма. Каких-либо могил в ограде церковной не было. В 1889 году церковь была вновь обновлена.
В 20-е годы XX века в железинской Троицкой церкви демонстрировали фильмы, использовали здание храма в качестве складского помещения, а затем разрушили, употребив кирпич для строительства общественных зданий.