Первое упоминание о Сергиевском храме в г. Царицыне встречается в 1888 году и связано с деревянной церковью в честь небесного покровителя умершего сына царицынского купца, которого звали Сергей. Каменный храм был построен в 3-й части города в 1908 г. на деньги Александра Александровича Репникова и Константина Васильевича Воронина. Помимо главного алтаря он имел приделы вмч. Екатерины и прп. Серафима Саровского. Храм был окружен каменным забором с литой чугунной решёткой. Храм имел собственный дом для духовенства на Сергиевской площади.
В 1912 году в Сергиевском храме насчитывалось 5040 прихожан. Священники окормляли два городских училища и свою церковно-приходскую школу. Зимой 1922 года приход пожертвовал голодающим 212100 руб.
На рубеже 1929 — 1930 годов с храма сняли колокола. Старожилы вспоминали, что ещё в 30-е годы в ограде стоял памятник А. А. Репникову, за которым ухаживали прихожане. Позже он был уничтожен. Храм был закрыт властями 31 марта 1932 года. Первоначально здесь расположили инкубаторно-птицеводческую станцию, причём при передаче ей здания ставилось условие изменения его внешнего облика, видимо, чтобы не раздражали сами внешние очертания храма. По сведениям от апреля 1936 года, в здании храма располагался клуб Общества содействия обороне, авиации и химическому строительству (ОСОАВИАХИМ), массовой добровольной организации, предшественницы ДОСААФ (ныне РОСТО). Здание уцелело в огне боёв за Сталинград, после войны в нём работал шиноремонтный завод, делали галоши. Храм пережил Сталинградскую битву. А верующие собирались на молитву в частном доме № 47 по ул. Свирской, сдаваемом им в аренду. В декабре 1950 года верующие попросили отдать им храм или зарегистрировать общину в частном доме, но их прошение было отклонено, в 1964—1965 годах в здании храма разместили «Волгтрансагентство». Работники этой конторы вспоминают, что сидели на первом этаже, а на втором была полная разруха, — отсутствовала крыша, полы. Ещё сохранилась в памяти у старожилов некая часовня, стоявшая в те годы чуть выше по улице Двинской (метрах в 200-х от храма). В дальнейшем здание храма, вероятно, было снесено. Примерно на этом месте в 70-е годы построили 9-этажный жилой дом.
При своём приезде в Волгоград 19 июня 1993 года, Святейший Патриарх Алексий II освятил место под строительство нового храма в память 600-летия кончины преподобного Сергия. На месте освящения поставлены мемориальная доска и крест. Крест дважды кто-то поджигал, но огонь был потушен начавшимся дождём. Первоначально на приход был назначен священник Виктор Ульянов. Финансировал стройку М. В. Слесаренко. В феврале 1996 года начались строительные работы. Пока стройка шла, службы шли в маленькой часовне. 15 января 1999 года были поставлены кресты на купола. В этот же день Владыка Герман (Тимофеев) отслужил Божественную литургию в одном из помещений храма. Архиепископ освятил церковь 14 ноября 1999 года.
Оформление храма осуществлялось уральскими полудрагоценными камнями, ценными породами дерева, лепниной, мозаичными иконами, изготовленными волгоградскими художниками А. Бровко, В. Ивановым, П. Шардаковым, Ю. Карпенко.
Храм имеет собственные святыни. Так, например, в 2009 году в нем появилась частица святых мощей Николая Чудотворца, привезенная в Волгоград в мощевике, помещенном в особый кивот. Есть в храме и мощи двадцати других святых угодников. Они были подарены храму Афоном на его первый юбилей.
