История храмового строительства в селе Дмитрова Гора восходит к XIX веку. В 1885 году в село была перенесена деревянная церковь из села Федоровское. Главный престол этой церкви был освящён во имя великомученика Димитрия Солунского, а приделы — в честь Казанской иконы Божией Матери, святителя Николая и великомученицы Параскевы Пятницы. В 1930 году, в период антирелигиозной кампании, храм был уничтожен в результате поджога, а на его месте впоследствии был построен жилой дом.
В течение более восьмидесяти лет в селе отсутствовал православный храм. В 2010 году, по инициативе местных жителей и при поддержке благотворительного фонда, было принято решение о строительстве нового храма. Осенью того же года началось строительство церкви в честь преподобного Сергия Радонежского. 21 июня 2011 года архиепископ Тверской и Кашинский Виктор совершил чин закладки храма.
Архитектурный облик храма выполнен в стиле русской православной традиции. Здание представляет собой одноэтажный каменный храм с центральным куполом и колокольней. Фасады окрашены в светло-зелёный цвет с белыми декоративными элементами. В 2012 году были изготовлены и установлены три надкупольных креста и девять колоколов, самый большой из которых весит 1 тонну 140 килограммов. Колокола были отлиты в городе Каменск-Уральский Свердловской области.
18 июля 2013 года митрополит Тверской и Кашинский Виктор совершил освящение престола храма. С этого времени храм функционирует как действующий приход Русской Православной Церкви, являясь центром духовной жизни местного населения. При храме действует воскресная школа, а также музей краеведения «Родимая сторонушка», открытый в ноябре 2017 года.
