Церковь построена на городском кладбище на средства собора и освящена в 1873 г. Изначально церковь была каменной, с деревянной отдельно стоящей колокольней, каменная колокольня пристроена в 1889 г. В начале XX в. на пожертвования были пристроены два придела: южный - во имя первомученика и архидиакона Стефана, северный - равноапостольной княгини Ольги. Предположительно, Стефан был внуком первостроителя церкви Димитрия Ярославцева, а Ольга - женой Стефана. В ограде Димитриевской церкви находится надгробие могилы Стефана и Ольги.

Церковь кораблевидного типа, основные объемы отягчены пристроенными позднее приделами. Световой барабан венчает устремленный вверх купол, окруженный четырьмя малыми главками. Над теплой папертью с запада находится изящная восьмигранная колокольня, завершенная сферическим куполом с крестом. Внешний декор храма сдержанный, подчеркивающий скорбное назначение церкви. Оконные проемы обрамлены строгими наличниками, карнизы церкви оформлены поясом лопаток. Храм довлеет к классическому типу с барочными элементами. В советский период истории священство и прихожане остались верными патриарху Тихону, а затем его последователю митрополиту Сергию. В противовес обновленческому епископу Челябинскому и Троицкому «тихоновцы» приглашали на богослужения «староцерковнических» епископов. В эти годы Димитриевская церковь становится независимой от собора - центра обновленчества в г. Троицке.

В 1930 г Дмитриевская кладбищенская церковь в Троицке была ликвидирована и все принадлежащее церкви имущество сдано в Госфонд, церковный совет распущен. После закрытия помещение церкви использовалось под склад маслозавода, здесь хранились подсолнечник, соя.

В годы Великой Отечественной войны изменилось отношение к Православной Церкви, стали открываться храмы, возвращаться из ссылок и лагерей священнослужители и миряне. В 1947 г. храм был передан верующим троичанам. С тех пор Димитриевская церковь не закрывалась и долгое время была единственным действующим храмом округи.