Официальной датой основания села Большой Карай считается 1612 год. Первоначально поселение называлось Рязановкой и было заселено переселенцами из Рязанской губернии. К 1698 году в Карайской слободе насчитывалось 50 дворов и около 700 жителей. В этот период в селе уже действовала церковь, освященная в честь святого Димитрия Солунского.
В 1773 году, по инициативе и на средства прихожан, была построена новая деревянная Свято-Троицкая церковь с колокольней. К 1861 году, ввиду ветхости первоначального строения и увеличения числа прихожан, здание было обновлено и расширено. Главный престол храма был освящен в честь Святой Троицы, а в холодном приделе — во имя святого великомученика Димитрия Солунского.
К концу XIX века приход храма включал 482 двора с общим числом прихожан около 3 921 человека. В приходе функционировали два училища: министерское, открытое в 1843 году, и земское, начавшее работу в 1888 году. Земельные владения церкви составляли 66 десятин пахотной и сенокосной земли, а также 1 660 саженей усадебной земли. Причт обеспечивался церковными домами, расположенными на земле прихожан.
В советский период, особенно в 1930-е годы, многие храмы подверглись закрытию и разрушению. Информации о судьбе храма Димитрия Солунского в этот период в доступных источниках нет. Возможно, храм был закрыт, а здание использовалось в иных целях или было разрушено, что соответствовало общей практике того времени.
В постсоветский период началось возрождение религиозной жизни в России, включая восстановление разрушенных и закрытых храмов. Однако конкретные сведения о восстановлении или текущем состоянии храма Димитрия Солунского в селе Большой Карай отсутствуют в доступных источниках. Возможно, храм не сохранился или находится в руинированном состоянии.
