Строительство каменного храма было завершено в 1813 году. Храм был освящён епископом Антонием во имя святителя Димитрия Ростовского, чудотворца, с приделом в честь Казанской иконы Божией Матери.
Архитектурный облик храма представляет собой образец классицизма. Здание выполнено из кирпича, оштукатурено и окрашено. Основной объём храма — восьмерик на четверике, перекрытый куполом с главкой. К основному объёму примыкает трапезная и трёхъярусная колокольня, завершённая шпилем. Фасады украшены пилястрами и арочными окнами.
В начале XX века настоятелем храма был Дионисий Курбатов, отец физика-ядерщика Ивана Курбатова. Рядом с церковью он построил двухэтажный особняк, который сохранился до наших дней. В годы советской власти в этом здании размещались различные учреждения, включая приют для бездомных детей, исполком Дмитриевского сельского совета, клуб, семилетнюю школу и районную ветбаклабораторию. В настоящее время в здании находится почта.
В советский период храм был закрыт. Богослужения возобновились в годы Великой Отечественной войны. В последующие годы храм продолжал функционировать, являясь центром духовной жизни прихода.