Храм во имя святого благоверного великого князя Димитрия Донского был основан в 2000 году как храм-памятник, посвященный танковой колонне «Дмитрий Донской». Колонна была создана на средства, собранные верующими, и построена на Нижнетагильском заводе во время Великой Отечественной войны. Инициатива возведения храма принадлежала руководству Уралвагонзавода, которое стремилось увековечить память о тружениках завода, воевавших на этих танках, и жертвах репрессий.
Закладка храма состоялась 25 сентября 2000 года близ центральной проходной Уралвагонзавода. Чин освящения первого камня совершил Патриарх Московский и всея Руси Алексий II. Строительство завершилось в 2003 году, и 1 июня того же года храм был освящен епископом Екатеринбургским и Верхотурским Викентием (Морарём). В 2004 году храму передали Книгу памяти, содержащую имена более 33 тысяч репрессированных работников завода.
17 апреля 2010 года храм был передан Екатеринбургской епархии в ходе торжественной церемонии с участием Патриарха Кирилла и представителей власти. Архитектурный облик храма соответствует традициям русского церковного зодчества. Престольный праздник отмечается 1 июня по новому стилю в день памяти святого Димитрия Донского.