Согласно историческим данным, в 1812 году в центре села Мордово была построена деревянная церковь, освящённая в честь святого Димитрия Солунского. Инициатором строительства выступил местный помещик, чьё имя в источниках не указано. К 1844 году, в связи с ростом населения и необходимостью расширения места для богослужений, рядом с деревянной церковью началось строительство нового каменного храма с колокольней. Строительство было завершено в последующие годы, и храм стал центральным религиозным сооружением села.
К концу XIX века население села Мордово значительно увеличилось, достигнув около 2800 жителей. Основными занятиями местных жителей были земледелие, рыбная ловля, мелкая торговля, плетение корзин и извоз. Некоторые из них занялись судоходством, что способствовало экономическому развитию села. Местоположение села на берегу Волги обеспечивало активное судоходство, и пристань в Мордовом ежедневно принимала более 200 пароходов.
В 1892 году настоятелем храма был назначен иерей Олимп Диаконов, известный миссионер, входивший в саратовское Братство Святого Креста. Отец Олимп служил в храме и преподавал Закон Божий в церковно-приходской и земской школах, заслужив уважение и любовь прихожан. Он поддерживал дружеские отношения со священномучеником Михаилом Платоновым, основателем движения «За веру и порядок» в революционном Саратове. В 1919 году отец Олимп был расстрелян на саратовском Воскресенском кладбище.
В 1920-х годах, в период советской власти, храм был закрыт, его внутреннее убранство подверглось разрушению, фрески были практически полностью уничтожены, купола и кресты сняты, а колокольня разобрана на кирпичи. Здание использовалось для различных хозяйственных нужд, включая зернохранилище и сельский клуб. В последующие десятилетия здание храма находилось в запустении и постепенно разрушалось.
В начале XXI века начались работы по восстановлению храма. Были проведены реставрационные мероприятия, направленные на сохранение оставшихся архитектурных элементов и восстановление утраченных частей здания. В настоящее время храм частично восстановлен, однако работы по его полному восстановлению продолжаются. Богослужения в храме возобновлены, они проводятся регулярно, способствуя возрождению духовной жизни в селе Мордово.
