В конце XVIII века деревня Берёзовка входила в состав Данковского уезда Рязанской губернии и находилась во владении коллежского асессора Михаила Алексеевича Еропкина. На тот момент населённый пункт не имел собственного приходского храма и относился к приходу Казанской церкви села Михайловское, расположенного в пяти верстах. К концу XIX века численность населения Берёзовки достигла 1 409 человек, однако собственного храма в селе по-прежнему не было, что вызывало неудобства у местных жителей.
В 1891 году, во время голода, местный помещик и меценат Юрий Степанович Нечаев-Мальцов безвозмездно снабжал крестьян хлебом. В знак благодарности жители Берёзовки решили воздвигнуть в селе часовню. Нечаев-Мальцов предложил вместо часовни построить полноценный храм и пообещал ходатайствовать перед рязанским архиереем о разрешении на строительство.
Строительство храма велось в 1893–1897 годах. Проект был разработан профессором Академии художеств, архитектором Александром Никаноровичем Померанцевым, известным по созданию Верхних торговых рядов в Москве (ныне ГУМ). Архитектор Леонтий Николаевич Бенуа также принимал участие в проектировании. Мозаичные иконы для фасада храма были выполнены в мастерской Владимира Александровича Фролова по эскизам художника Виктора Михайловича Васнецова. Иконопись интерьера осуществил профессор Николай Александрович Бруни. Конструкции кровли, лестницы и хоры разработал инженер Владимир Григорьевич Шухов.
Храм представляет собой каменное двухэтажное здание с летней церковью на верхнем этаже и зимней — на нижнем. Наружные стены облицованы тесаным резным белым камнем и украшены мозаичными иконами. Первоначально здание было покрыто оцинкованным железом. Верхняя церковь была освящена во имя святого великомученика Димитрия Солунского, нижняя — во имя святителя Николая Мирликийского Чудотворца. При храме действовала церковно-приходская двухклассная школа, располагавшаяся в трёх каменных зданиях, построенных в 1897–1899 годах на средства Ю. С. Нечаева-Мальцова и членов его семьи.
После революционных событий 1917 года храм подвергся значительным изменениям. В 1922 году была изъята серебряная утварь весом более 29 пудов. К 1931 году церковь была закрыта. Во время Великой Отечественной войны в здании размещался госпиталь. В 1962 году храм был переоборудован под Дом культуры, при этом были разрушены колокольня, сень над западным входом, иконостасы, сбиты мозаики. Зимний храм использовался как овощехранилище, что привело к повреждению здания и появлению трещин в стенах.
К концу XX века храм находился в неудовлетворительном состоянии. Постановлением главы администрации Липецкой области от 27 февраля 1992 года Димитриевский храм в селе Берёзовка был включён в число памятников истории и культуры, стоящих на государственной охране. В 2002 году здание храма было передано верующим, а с 2005 года в нём начались богослужения. В 2008 году предприниматель В. Б. Черногиль профинансировал предпроектные работы и частично оплатил ремонт кровли, очистку фасадов здания. В 2018 году на средства федерального бюджета был разработан проект реставрации, реализованный в 2021 году в рамках государственной программы «Развитие культуры и туризма».
