Первое упоминание о церкви в селе Нижний Кисляй датируется 1781 годом и содержится в документах Бобровско-Павловской нижней расправы.В донесении о тяжбе за владение мельницей на речке Кисляй упоминается священник Василий Федотов из Дмитриевской церкви.
В "Экономических примечаниях Павловского уезда" за 1795 год указано, что село Кисляй имело деревянную Димитриевскую церковь, что подтверждает статус населённого пункта как села. К 1869 году, по инициативе генерал-губернатора Ивана Дмитриевича Лужина, была построена каменная однопрестольная церковь с колокольней, также посвящённая святителю Димитрию Ростовскому. В строительстве храма активно участвовали местные прихожане.
Архитектурно храм представляет собой здание в форме корабля с одним куполом. Толщина стен достигает почти одного метра. В храме была предусмотрена система отопления: между стенами оставлено пространство, по которому циркулировал тёплый воздух, нагреваемый в котле, встроенном в одну из стен. Это обеспечивало поддержание тепла внутри здания без использования печей или видимых отопительных труб.
В 1932 году храм был закрыт, и его здание использовалось для различных нужд: до войны в нём размещалась школа, с 1954 по 1970 годы — зернохранилище, затем мастерская для ремонта тракторов и уборочных машин. Впоследствии рядом с церковью были организованы свалка мусора и скотомогильник.
Реставрация храма началась в 1990 году при активном участии местных жителей и предприятий. Были проведены работы по очистке территории, оштукатуриванию стен и восстановлению внутренних помещений. Восстановительные работы проводились при поддержке местных предприятий и мастеров из Украины.
После завершения реставрации в храме возобновились богослужения. 1 октября 2005 года в храм была привезена частица мощей святителя Димитрия Ростовского. 29 сентября 2019 года епископ Борисоглебский и Бутурлиновский Сергий совершил чин великого освящения храма.