Возведение храма датируется 1534 годом, когда на территории Дмитриевского монастыря была построена каменная церковь.Местность, где расположен храм, издавна называлась "страной святого Димитрия".
Архитектурно храм представляет собой четырёхстолпный четверик с тремя апсидами. С западной стороны расположен притвор и трёхъярусная колокольня, верхние ярусы которой имеют шесть граней, завершающихся лопастями и шпилем. Южный придел, построенный в 1782 году на средства псковского купца Вуколы Евстафьевича Поднебесного, освящён во имя Введения во храм Пресвятой Богородицы. Фасады храма отличаются скромным декором, характерным для псковской архитектуры XVI века. Световой барабан главного храма украшен декоративным поясом из двух рядов поребрика и ряда бегунца между ними.
В 1615 году, во время осады Пскова шведскими войсками под предводительством короля Густава II Адольфа, Дмитриевский монастырь был разорён, но впоследствии восстановлен. В 1864 году была надстроена колокольня, а в 1876 году в главном храме установлен новый иконостас; в 1882 году аналогичный иконостас появился и в приделе.
В советский период храм оставался действующим, несмотря на арест и последующую гибель в 1937 году священнослужителей Алексея Васильева и Константина Знаменского. Во время Великой Отечественной войны, в период оккупации Пскова, богослужения в храме возобновились. До конца 1980-х годов храм Димитрия Солунского был одним из пяти действующих православных храмов города.
Вокруг храма расположено Дмитриевское кладбище, возникшее в начале XIX века. Здесь похоронены многие известные жители Пскова, включая декабриста Михаила Александровича Назимова, родственников Ивана Пущина, основателя Псковского Археологического Общества Ивана Ивановича Василёва, а также участников Отечественной войны 1812 года Евгения Петровича Назимова и Василия Михайловича Бибикова. В январе 1990 года у южной стены храма был погребён митрополит Псковский и Порховский Иоанн (Разумов).
