История храма начинается в 1810 году, когда на городском кладбище была устроена деревянная церковь в честь Святого Великомученика Димитрия Солунского с приделом во имя Пророка Илии. Освящение этой церкви состоялось осенью того же года. В 1821 году священник Иосиф Персиянов сообщил о необходимости ремонта ограды и крыши храма, а также об улучшении состояния его стен.
В 1861 году, по инициативе архиепископа Донского и Новочеркасского Иоанна и наказного атамана Михаила Григорьевича Хомутова, на средства войска Донского была построена каменная церковь, заменившая деревянное здание. Проект храма был разработан академиком архитектуры Иваном Осиповичем Вальпреде. Церковь была освящена в 1861 году и стала важным центром духовной жизни местной общины.
В 1900 году, с благословения архиепископа Афанасия, началось строительство кирпичного здания церковно-приходской школы при храме. 27 августа 1901 года состоялось освящение нового школьного здания.
В советский период церковь не была закрыта, и продолжала служить местом регулярных богослужений. В 1948 году настоятель храма, протоиерей Павел Автономов, сообщал о стоимости здания храма в 56 800 рублей по предыдущей оценке, проведенной в период с 1928 по 1932 годы.
12 июля 1992 года, по благословению епископа Азовского Сергия, был освящен предел храма во имя святых первоверховных апостолов Петра и Павла.
Постановлением мэра города Новочеркасска № 166 от 4 февраля 1997 года здание Свято-Димитриевской церкви было зарегистрировано за приходом этого храма, а в 2005 году было закреплено право собственности на земельный участок под храмом.
