Посёлок Кажым возник в связи со строительством в 1757 году железоделательного завода. Первая деревянная церковь во имя святителя Димитрия Ростовского была возведена в 1761 году по просьбе устюгского купца И. Я. Курочкина. Каменное здание храма было построено в период с 1817 по 1826 годы на средства заводовладельцев Николая Яковлевича Курочкина и Николая Николаевича Боборыкина. Главный престол был освящён в честь святителя Димитрия Ростовского, приделы — во имя святителя Николая Чудотворца и святителя Иоанна Новгородского. Храм представляет собой образец архитектуры в стиле классицизма.
В 1870 году, после закрытия железоделательного завода и оттока населения, приход был упразднён, а храм временно приписан к Койгородскому приходу. В 1928 году церковь была закрыта, здание использовалось под клуб, склад и шорную мастерскую. Во время Великой Отечественной войны с колокольни были сняты колокола для нужд фронта. В 1991 году здание было возвращено верующим, начались восстановительные работы. В настоящее время действует один восстановленный придел.