Первые документальные упоминания о храме относятся к 1624–1625 годам, когда в переписи Клинского уезда зафиксирована деревянная церковь «на погосте Дмитрия Селунского, что в Донхове». В то время при храме числились двор попа Климента Савина и двор пономаря Кирилла Алексеева. Это свидетельствует о существовании прихода и регулярных богослужениях.
В 1722 году на месте старого храма была построена новая деревянная церковь, которая прослужила до 1920-х годов. У алтаря этой церкви сохранилась могила Екатерины Алексеевны Челищевой, фрейлины императрицы начала XIX века, скончавшейся в 1846 году. Она завещала 1430 рублей серебром на нужды церкви, что стало значительным вкладом в её развитие.
14 июня 1847 года священник Феодор Иоаннович Виноградов совместно с причтом и прихожанами подал прошение о строительстве нового каменного храма, обосновывая это ветхостью существующей деревянной церкви. 9 декабря 1847 года митрополит Московский Филарет (Дроздов) выдал храмоздательную грамоту на строительство. В 1852 году митрополит Филарет освятил антиминс для престола в северном приделе, посвящённого преподобному Сергию Радонежскому.
При священнике Николае Петровиче Афонском, возглавлявшем приход более 40 лет с 1876 года, были проведены значительные работы по благоустройству храма и приходской территории. В 1877 году по его инициативе была построена каменная сторожка при храме. В 1879 году он организовал открытие Донховской школы, где до 1890 года исполнял обязанности законоучителя. В 1886 году под его руководством холодная церковь была украшена художественной живописью высокого качества.
После революции храм дважды пытались закрыть, но благодаря твёрдости прихожан и заступничеству святых покровителей этого удалось избежать. Однако запрет на реставрационные и хозяйственные работы в советский период привёл к значительному обветшанию храма как внутри, так и снаружи. С начала 1990-х годов начались реставрационные работы, которые позволили восстановить интерьер и обстановку конца XIX века.
В настоящее время Димитрие-Солунский храм является действующим и относится к Клинскому благочинию Московской епархии Русской Православной Церкви. Богослужения совершаются регулярно. При храме ведётся активная приходская жизнь, организуются мероприятия для прихожан и жителей села.
