Нередко храмы на Руси, расположенные на кладбище, освящали во имя святого великомученика Димитрия Солунского. Этой древней традиции придерживались и жители старинного города Троицка.
Церковь его имени была построена в 1873 году также на городском кладбище. Она была приписана к Свято-Троицкому собору и построена на средства собора. Изначально церковь была каменной, но с деревянной отдельно стоящей колокольней. В 1889 году была пристроена каменная колокольня.
В начале XX века, благодаря пожертвованиям, к церкви были пристроены два придела:
- Южный, который был освящен во имя первомученика и архидиакона Стефана;
- И Северный – освященный во имя равноапостольной княгини Ольги. Существует легенда, что Стефан был внуком первостроителя церкви Димитрия Ярославцева, а Ольга — женой Стефана. В ограде церкви находятся надгробия могил Стефана и Ольги.
Церковь имеет кораблевидный тип, с основным объемом, отягощенным пристроенными позднее приделами. Световой барабан венчает устремленный вверх купол, окруженный четырьмя малыми главками. Над теплой папертью с запада находится восьмигранная колокольня, завершенная сферическим куполом с крестом.
Внешний декор храма сдержанный, подчеркивающий скорбное назначение церкви. Оконные проемы обрамлены строгими наличниками, карнизы оформлены поясом лопаток. Храм имеет черты классического стиля с элементами барокко. Первоначально богослужения проводились поочередно соборным причтом по воскресным, праздничным и субботним дням, но позднее службы стали проводиться ежедневно.
В советский период духовенство и прихожане церкви остались верными патриарху Тихону, а затем его местоблюстителю митрополиту Сергию. В противовес обновленческому епископу Челябинскому и Троицкому, «тихоновцы» приглашали на богослужения «старо-церковнических» епископов, таких как епископ Николай (Амасийский) из Кустаная в 1925 году. В эти годы церковь стала независимой от собора, который был центром обновленчества в Троицке.
С 1920 года до закрытия церкви в ней служил священник Виктор Федорович Петропавловский, а с 1918 по 1930 год — Александр Александрович Никольский. Также в церкви служили протоиереи Николай Кнутарёв и Николай Савелов.
В 1930-м году церковь закрыли, а ее имущество передали в Госфонд.
После закрытия помещение церкви использовалось как склад маслозавода для хранения подсолнечника и сои.
Во время Великой Отечественной войны отношение правительства к Православной Церкви изменилось. 20 мая 1947 года храм был возвращен верующим. С тех пор Димитриевская церковь не закрывалась и долгое время была единственным действующим храмом в округе. В храм свозились иконы из других закрытых церквей города.
В настоящее время храм Димитрия Солунского остается одним из любимых у жителей Троицка. При храме действует воскресная школа для детей и взрослых, где они изучают основы православной веры, культуры и церковного пения. Также при храме работает военно-патриотический клуб, где проводятся велопробеги и походы в лес. В храме сохраняется много старинных икон, особенно почитаются Казанский образ Пресвятой Богородицы и икона Божией Матери «Знамение». Она принадлежала местночтимой подвижнице Дунюшке Чудиновской. Принести молитвы перед этим образом люди подчас приезжают издалека.