В конце XIX века в Дмитрове наблюдался рост промышленности и численности населения, что обусловило необходимость строительства новых храмов для обеспечивания духовного окормления горожан. В 1891 году город посетили великие князья Сергей Александрович и Павел Александрович, что послужило стимулом для развития инфраструктуры, включая строительство новых церквей.
Инициатором строительства Пантелеимоновского храма стала вдова владельца Покровской мануфактуры Елизавета Лямина. Её вклад и активное участие в проекте сыграли ключевую роль в реализации строительства.
Архитектурно храм выполнен в традициях русско-византийского стиля, характерного для конца XIX века. Здание сочетает элементы древнерусского зодчества и византийской архитектуры, что придаёт ему уникальный облик. Основной объём храма увенчан куполом, фасады украшены декоративными элементами, характерными для данного стиля.
В советский период, как и многие другие религиозные сооружения, Пантелеимоновский храм подвергся закрытию. Здание использовалось для различных хозяйственных нужд, что привело к утрате значительной части внутреннего убранства и постепенному разрушению архитектурных элементов.
В конце XX — начале XXI века начался процесс возвращения храма Русской Православной Церкви и его восстановления. Благодаря усилиям местной общины и благотворителей, здание было отреставрировано, восстановлены утраченные элементы, и храм вновь открыл свои двери для прихожан.
В настоящее время Пантелеимоновский храм является действующим приходом Дмитровского благочиния Сергиево-Посадской епархии. При храме ведётся активная духовно-просветительская деятельность, организуются мероприятия для различных возрастных групп.
