Первоначальный деревянный храм в Каменке был построен вскоре после 1710 года. В 1717 году он был сожжён во время набега кубанцев. Около 1730 года на его месте был возведён новый деревянный храм.
В 1826 году на средства прихожан был построен каменный храм во имя святого великомученика Димитрия Солунского. Храм был обнесён каменной оградой. С 1892 года старостой церкви был нижнеломовский купец второй гильдии Дмитрий Семёнович Лобанов, награждённый тремя серебряными медалями за усердие.
К концу XIX века, в 1896 году, храм посещало 1990 православных прихожан обоего пола. В 1839 году к храму были пристроены колокольня и Троицкий (правый) придел. В 1856 году освящён левый придел во имя святителя Николая Чудотворца.
В 1823 году был возведён храм с приделами во имя святителя Николая Чудотворца (правый) и в честь иконы Божией Матери «Знамение» (левый). 24 апреля 1838 года при церкви было открыто поселянское училище (церковно-приходская школа). 16 октября 1896 года при Димитриевской церкви была открыта второклассная с образцовым классом церковно-приходская школа, которая размещалась в собственном казённом здании. В 1903–1904 годах школа была преобразована из мужской в женскую.
В советский период храм был закрыт и использовался не по назначению. В 1990 году храм был передан верующим и вновь открыт для богослужений. В начале 1992 года приход временно перешёл в юрисдикцию Российской православной свободной церкви, однако впоследствии храм был возвращён в ведение Русской Православной Церкви.
