Сельцо Тёсово, расположенное в Дягилеве стане Можайского уезда, впервые упоминается в документах начала XVII века. В 1657 году оно было приобретено Артемием Богдановичем Камыниным, после чего перешло к его сыну Дмитрию Артемьевичу. В 1705 году Дмитрий Артемьевич инициировал строительство деревянной церкви во имя святого великомученика Димитрия Солунского, своего небесного покровителя. Освящение храма состоялось в 1706 году. В 1725 году вдова Дмитрия Артемьевича, Дарья Григорьевна, пристроила к церкви придел в честь Архангела Михаила.
В 1736 году владельцем Тёсово стал Василий Дмитриевич Камынин. По его прошению в 1747 году был издан указ Переяславской духовной консистории на строительство каменной церкви во имя святого Димитрия Солунского с тёплым приделом Архангела Михаила, взамен обветшавшей деревянной постройки. Его сын, Дмитрий Васильевич Камынин, сенатор, в 1811 году возвёл существующий ныне каменный храм. К 1866 году в церкви имелись престолы, освящённые в честь Смоленской и Казанской икон Божией Матери и пророка Илии.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное оштукатуренное здание в стиле классицизма. Основной объём церкви увенчан световой ротондой с ризалитами, перекрытой куполом, несущим главку в виде колонного бельведера. Фасады прорезаны двумя ярусами окон, часть из которых была заложена при ремонте. Декоративное убранство включает рустованные пилястры и окна, помещённые в неглубокие ниши.
В 1812 году, во время Отечественной войны, храм был осквернён наполеоновскими солдатами, использовавшими его как конюшню. Однако уже в 1814 году церковь была восстановлена. В 1817 году казначей Можайского Лужецкого монастыря Иосаф освятил два восстановленных придела.
В советский период, в 1930-х годах, храм был закрыт, а с 1937 года началось его разрушение и разграбление. Колокольня и алтарная часть были взорваны, утрачены четырёхколонные портики на южном и северном фасадах. Свод над трапезной частью и боковыми приделами обрушился, а кирпич использовался для строительства свинофермы и молокозавода.
В 1995 году указом митрополита Крутицкого и Коломенского Ювеналия приход был вновь открыт, и начались восстановительные работы. К 2007 году были заново выстроены алтарь и портики, возвращена медная кровля и золочёный крест. Храм был оштукатурен и окрашен. Восстановлена ограда с коваными решётками.
