История храма начинается в 1886 году, когда купец 2-й гильдии Фёдор Петрович Дегтярёв обратился в Оренбургскую городскую управу с просьбой выделить участок для строительства церкви в память о своём брате Дмитрии Дегтярёве. В январе 1887 года городская дума удовлетворила ходатайство, и в том же году началось строительство однопрестольной каменной церкви по проекту инженера Сахарова. Освящение храма состоялось 30 сентября 1890 года епископом Оренбургским и Уральским Макарием. Церковь была рассчитана на 700 человек и стала третьим храмом в новой слободке Оренбурга.
В последующие годы храм был расширен: в 1899 году на средства купца Максима Макеева был построен правый придел в честь Святой Троицы, а в 1900 году — левый придел в честь Успения Божией Матери. В 1903–1904 годах была возведена новая каменная колокольня. Архитектурно храм выполнен в стиле русской культовой архитектуры XVII века, представляя собой одноэтажное каменное здание с колокольней, покрытое железом и увенчанное куполами с белыми жестяными крестами.
В 1893 году при храме была открыта школа грамоты, впоследствии преобразованная в церковно-приходскую школу. К 1897 году стало очевидно, что храм требует расширения, и были предприняты соответствующие строительные работы. На 1890 год причт церкви состоял из двух священников и двух псаломщиков. В 1897 году штат был увеличен на одного диакона и псаломщика.
В 1920-х годах храм был передан обновленческой общине, несмотря на протесты прихожан. В 1933 году церковь была закрыта, но в 1935 году вновь открыта и стала временным кафедральным собором после закрытия Казанского собора. Однако в 1938 году храм был окончательно закрыт по решению властей, и здание было передано под клуб, а затем — под кинотеатр «Буревестник».
В годы Великой Отечественной войны на территории храма размещалась автомобильная рота Южно-Уральского военного округа. После войны здание продолжало использоваться как кинотеатр. В 1989 году было зарегистрировано новое религиозное общество, и в 1990 году здание бывшего храма было возвращено верующим. К тому времени храм находился в плачевном состоянии: купола и своды были разрушены, настенные росписи уничтожены, а здание требовало капитального ремонта.
С 1990 года начались восстановительные работы, в которых активно участвовали прихожане. В 1996 году был установлен новый купол, и в том же году храм посетил Патриарх Московский и всея Руси Алексий II. В 1999 году завершилось строительство колокольни, и в храм были привезены иконы Табынской Божией Матери и святого Димитрия Солунского.
