История храма начинается в первой половине XVIII века. В 1717 году князь Яков Иванович Лобанов-Ростовский, владелец села Очаково, инициировал строительство деревянной церкви во имя иконы Похвалы Богородицы. К 1753 году новым владельцем села стал тайный советник Михаил Степанович Опочинин. 5 мая 1757 года он обратился в Синодальную контору с просьбой о разрешении на строительство нового каменного храма, которое было получено в том же году. Строительство завершилось к 1759 году, и храм был освящён во имя святителя Димитрия Ростовского.
Архитектурно храм выполнен в стиле барокко, характерном для середины XVIII века. Здание представляет собой однокупольную церковь с трёхъярусной колокольней. Фасады украшены пилястрами и декоративными элементами, типичными для барочной архитектуры того периода.
В советский период храм был закрыт. Сначала, в середине 1920-х годов, богослужения прекратились, затем храм вновь открыли, но окончательно закрыли к началу Великой Отечественной войны. В здании разместили овощной склад, при этом купола остались нетронутыми. В конце 1960 года планировалась реставрация, однако работы начались только в 1972 году. К тому времени церковное кладбище было упразднено.
Реставрационные работы завершились к 1992 году, и в том же году храм был возвращён Русской Православной Церкви. С этого времени в храме возобновились богослужения. В настоящее время храм святителя Димитрия Ростовского в Очакове является действующим, проводятся регулярные службы и церковные мероприятия.
