Первоначально, в 1743 году, по инициативе и на средства действительного статского советника Григория Ивановича Орлова в селе Лысые Горы была построена деревянная церковь, освящённая во имя великомученика Димитрия Солунского. К концу XIX века, в 1875 году, благодаря стараниям землевладельца Александра Беляева и местных прихожан, была возведена новая деревянная церковь с колокольней на том же месте. В 1904 году, по инициативе землевладельца Фёдора Петровича Бартенева, храм был оштукатурен изнутри, расписан и стал тёплым, что улучшило условия для проведения богослужений в холодное время года.
В период советской власти, в середине 1930-х годов, храм был закрыт и впоследствии разрушен. Длительное время богослужения не проводились, и здание храма не использовалось по назначению.
Возрождение прихода началось в 1990 году. 9 сентября того года в одном из старейших зданий Лысых Гор, представляющем собой историко-архитектурную ценность, был освящён временный храм во имя святого великомученика Димитрия Солунского. Бывший каменный особняк был отремонтирован и адаптирован под нужды прихода, при котором также была открыта воскресная школа.
В 2009 году было принято решение о строительстве нового каменного храма. 4 июля 2009 года епископ Саратовский и Вольский Лонгин совершил чин основания нового храма, расположенного в центральной части посёлка, в живописной лесопарковой зоне, вблизи физкультурно-оздоровительного комплекса «Олимпик». Строительство велось на средства благотворителей и прихожан. К настоящему времени здание в основном построено, продолжаются внутренние отделочные работы и благоустройство территории.
В настоящее время богослужения совершаются в приспособленном помещении, расположенном по адресу: рабочий посёлок Лысые Горы, Парковая улица, 18А. При храме действует воскресная школа, где преподаются библейская история, Закон Божий и церковное пение. Духовенство храма осуществляет окормление местного психоневрологического интерната и регулярно проводит встречи с детьми из неблагополучных семей. В районной газете «Призыв» к двунадесятым праздникам публикуется информация о них.