Инициатива строительства храма принадлежит Петру Козьмичу Фролову, начальнику Алтайского горного округа и Томскому гражданскому губернатору. В преддверии 100-летия Алтайских горных заводов было принято решение о создании архитектурного ансамбля Демидовской площади, включающего здание горного госпиталя, горного училища и богадельни. При богадельне планировалось возвести домовую церковь во имя святителя Димитрия Ростовского.
Закладка церкви состоялась 6 августа 1829 года. В разработке проекта участвовали архитекторы А.И. Молчанов, Л.И. Иванов и Я.Н. Попов, завершивший строительство. Храм был освящен 30 апреля 1831 года.
Архитектурно здание представляет собой ротондальную церковь в стиле классицизма с круглым основным объемом и крестообразно расположенными небольшими ризалитами по сторонам света. Иконы и настенные росписи выполнил академик живописи М.И. Мягков.
Первоначально храм функционировал как домовая церковь при богадельне Барнаульского завода. В штате причта состояли священник, диакон и псаломщик. В 1905 году по проекту архитектора Ивана Феодосиевича Носовича рядом с храмом была построена часовня, украшенная мозаичным образом Христа Спасителя, пожертвованным академиком А.Н. Фроловым.
4 июня 1920 года храм был закрыт. В последующие годы здание использовалось под различные учреждения: музей изящных искусств, киноклуб, спортивное общество «Спартак», магазины и другие организации. В апреле 1991 года произошел пожар, в результате которого сгорел и обрушился купол храма.
В 1994 году здание было возвращено Барнаульской епархии, начались работы по его восстановлению. В 1997 году в пристройке к храму был освящен престол в честь святителя Николая Чудотворца. К 9 ноября 2012 года восстановление храма было завершено.
