В середине XVI века территория за рекой Сосной в Ельце была заселена свободными казаками, образовавшими Беломестную слободу. В 1592–1593 годах на этой территории была построена первая деревянная церковь, освящённая в честь святого великомученика Димитрия Солунского, покровителя воинов. Строительство храма было связано с необходимостью духовного окормления казаков, охранявших южные рубежи государства.
В 1617 году в документах упоминаются священнослужители этой церкви. В переписных книгах 1646 года храм значится как «церковь Дмитрея Селунского за попом Федотом». К 1691 году церковь была деревянной, имела царские врата, иконы, книги и колокола. Её размеры составляли семь сажен в длину с алтарём и трапезной и три сажени без трети в ширину.
В 1772–1774 годах прихожане построили новый каменный храм на месте старого деревянного. Строительство велось на средства прихожан, которые в 1773 году заключили договор с елецким купцом Андрианом Петровичем Володиным на завершение отделки храма и перенос иконостаса из старой церкви. Новая церковь была сложена из дикого камня на всю высоту и имела деревянную колокольню.
К концу XVIII века церковь стала ветхой и маловместительной, особенно учитывая рост числа прихожан, включавших жителей Беломестной и Новой Ямской слобод, а также окрестных деревень. Кроме того, весенние паводки реки Сосны часто затапливали храм. Эти факторы побудили прихожан задуматься о строительстве нового храма на более возвышенном месте.
В начале XIX века, по инициативе священника Преображенской церкви Иоанна Борисовича Жданова, было принято решение о строительстве нового каменного храма в Засосенской части города. Строительство началось в 1817 году и завершилось в 1843 году. Новый храм был освящён во имя Святой Троицы, а один из приделов был посвящён святому великомученику Димитрию Солунскому, в память о прежней церкви.
После завершения строительства нового храма старая церковь святого Димитрия Солунского была разобрана. На её месте долгое время оставалась пустующая площадь, а на месте алтаря стояла небольшая часовня. В середине XX века эта территория была застроена.
