Станица Новомарьевская была основана в конце XVIII века и на несколько лет старше города Ставрополя. В дореволюционный период в станице существовали три храма: Святителя Николая, Великомученика Димитрия Солунского и Святых первоверховных апостолов Петра и Павла. В 1792 году была построена деревянная Петро-Павловская церковь. Храм Димитрия Солунского первоначально также был деревянным, а в начале XX века казаки построили каменный храм, который своей архитектурой напоминал один из храмов Киево-Печерской Лавры. Его колокольня имела высоту 48 метров, длина была 38 метров, ширина — 26 метров.
Из-за труднодоступной местности и сопротивления местных жителей приход советской власти в станицу отсрочился на 10 лет. Поэтому церковь пережила и коллективизацию, и войну, и только в 1964 году под натиском политики партии было решено взорвать храм. С первой попытки здание устояло. Прошло ещё четыре года, и в 1968 году были вызваны профессиональные минёры из регулярных войск, которые разрушили храм.
В 1990 году была создана комиссия по организации постройки нового храма. До 2000 года богослужения в станице Новомарьевской проводились в переоборудованном помещении бывшего склада, однако это помещение сгорело. Решено было начать строительство на месте, где стоял деревянный храм. 1 июня 2002 года был выкопан котлован под новую каменную церковь. 8 ноября 2006 года в новом храме была отслужена первая Божественная литургия.
Архитектурный облик нового храма соответствует традициям русско-византийского стиля. Здание выполнено из кирпича с элементами декоративной отделки, характерными для православных храмов. Внутреннее убранство храма включает иконостас, выполненный в соответствии с канонами православной иконописи.