Первое упоминание о церкви относится к 1620 году, когда на средства прихожан была возведена деревянная церковь.Этот храм служил духовным центром для местных жителей на протяжении примерно двухсот лет.
В 1820 году деревянная церковь была уничтожена пожаром, возникшим во время богослужения. Согласно местному преданию, удалось спасти некоторые святыни, включая антиминс, напрестольные кресты, Евангелие и ковчег. После этого трагического события, в 1824 году, на месте сгоревшего храма была построена новая каменная церковь, также посвященная великомученику Димитрию Солунскому. Строительство осуществлялось на средства прихожан, и новый храм стал одним из лучших в Сергачском уезде Нижегородской губернии.
Каменный храм имел два престола: главный — в честь Димитрия Солунского и придельный — во имя святого царевича Димитрия Угличского. Освящение придельного престола состоялось в 1824 году, а главный престол был освящен в 1836 году. В 1873 году в придельном храме был установлен новый иконостас на средства заштатного дьякона Семена Любимцева и крестьян Леонтия и Игнатия Михайловых. В 1878 году в главном храме также был устроен новый иконостас стараниями священника Василия Знаменского и прихожан Онуфрия Крайнова, Федора и Василия Вергизаевых.
В 1882 году храм вновь пострадал от пожара, в результате которого сгорели глава, крыша, пол и потолок паперти, а также ограда; колокола упали. Восстановительные работы были проведены на средства прихожан, собравших около 1000 рублей. Екатерина Михайловна Малова передала в храм семейную реликвию — серебропозлащенный крест с частицами мощей Иоанна Крестителя и мучеников Кирика и Улиты. Онуфрий Крайнов приобрел для храма серебряный крест, вложенный в золотой, с частью ризы Господней и частицами великомучеников, украшенный гранатами и алмазами.
В 1936 году храм был закрыт, а его клир распущен. В 1958 году купол и колокольня были разрушены, поскольку здание планировалось использовать под клуб. Жители села Толба выступали против разрушения церкви, но не смогли предотвратить эти действия.
Спустя десятилетия, в 2010 году, началось восстановление храма. Настоятелем был назначен иерей Димитрий Боголюбов. 18 июля 2010 года в храме состоялось первое за 70 лет богослужение, на котором присутствовало более 50 человек. Первая Божественная литургия в восстанавливаемом храме была совершена 26 августа 2010 года. К этому времени была выполнена первоначальная смета строительных работ, согласно которой на восстановление храма требовалось не менее трех лет.
8 ноября 2010 года, в престольный праздник, служба проходила в молельном доме, выкупленном приходом у сельсовета. К этому времени территория храма была полностью расчищена от мусора, и начались работы по укреплению фундамента церкви.
Здание церкви было включено в список объектов культурного наследия России приказом департамента охраны историко-культурного наследия Нижнего Новгорода и Нижегородской области №5-ОД от 24 апреля 2000 года. Однако приказ утратил силу приказом №159 от 20 октября 2014 года, и храм был лишен статуса объекта культурного наследия.