Первое упоминание о храме в селе Полчаниновка относится к 1831 году, когда помещицей Наталией Михайловной Казариновой был построен однопрестольный каменный храм во имя Пресвятой Троицы с каменной колокольней. В штате причта состояли священник, диакон и псаломщик. При храме действовала одноклассная церковно-приходская школа, а дома для причта были церковными.
В 1911 году на служение в Полчаниновку был направлен священномученик Иоанн Днепровский, который прослужил в приходе до закрытия храма в 1929 году. В годы советской власти здание каменной церкви было разрушено, а на его месте построен магазин.
В 1992 году жители села обратились в Саратовскую епархию с прошением о создании православного прихода. Для богослужений был переоборудован жилой дом, который по благословению Архиепископа Саратовского и Вольского Пимена (Хмелевского) стал временным храмом. Новый храм освятили во имя святого великомученика Димитрия Солунского.
Современный храм располагается в приспособленном помещении. Богослужения совершаются два раза в месяц, включая Литургию в 09:00, молебны и панихиды. При храме действует воскресная школа. Здание исторического каменного храма не сохранилось.