Церковь великомученика Димитрия Солунского была приписная к собору, кладбищенс­кая, 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. усердием жертвователей 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 Димитрисвской 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. В оформлении второго яруса коло­кольни, в декоративных фронтонах использо­ваны прямоугольные ширинки (неглубокие пиши). 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. Сначала богослужение отправлялось пооче­редно соборным причтом по воскресным, праздничным и субботним дням, позднее служ­бы совершались ежедневно.
В советский период истории священство и прихожане остались верными патриарху Ти­хону, а затем его местоблюстителю митропо­литу Сергию. В противовес обновленческому епископу Челябинскому и Троицкому «тихоновцы» приглашали на богослужения «старо-церковнических» епископов, например, епис­копа Николая (Амасийского) из Кустаная в но­ябре 1925 г. В эти годы Димитриевская цер­ковь становится независимой от собора – цен­тра обновленчества в г. Троицке.
Одним из священников церкви в это время стал бывший соборный свя­щенник Виктор Федорович Петропавловский (I860 г. р.), сын диакона. По окончании Уфимской семинарии в 1883 г. он был определен псалом­щиком в Свято-Троицкий собор г. Троицка. В 1894 г. В. Петропавловский был руко­положен в сан священника и направлен в приход стани­цы Великопетровской, по­зднее по прошению возвра­щен в Троицкий собор. В 1907 г. попечителем Орен­бургского учебного округа о. Виктор был назначен за­коноучителем 2-го город­ского 4-х классного училища, заведующим шко­лой грамоты пос. № 6. Священник был награж­ден наперсным крестом, серебряной медалью в память царствования императора Александра III. С июня 1920 г. до закрытия о. Виктор свя­щенствовал в Димитриевской церкви, после чего перешел в Александро-Невскую церковь.
Другим священником Димитриевской цер­кви с 1918 по 1930 г. был Александр Александ­рович Никольский (1891 г. р.) После закрытия церкви он также стал священником Алсксандро-Невской церкви. До закрытия церкви в ней служили также протоиереи Николай Кнутарев и Николай Савелов.
11 мая 1930 г. начальник административно­го отдела Троицкого окрисполкома получил рапорт, что на основании постановления Пре­зидиума ВЦИКот 18 февраля 1930 г. за № 5137 «Дмитриевская кладбищенская церковь в Тро­ицке… ликвидирована и все принадлежащее… церкви имущество сдано в Госфонд при Тро­ицком окрфо полностью, церковный совет рас­пущен».
В акте приемки церковного имущества поражает количество и богатство убранства не­большой кладбищенской церкви. Объясняется это тем, что в годы массового закрытия хра­мов зачастую их утварь передавалась в еще дей­ствующие.
«1) Колоколов разных — 8… 28) икон разных размеров без киотов – 92; 29) люстр разных размеров – 8… 60) полных архиерейс­ких облачений – 7; 61) священнических – 19; 62) дьяконских – 14; 63) стихарей детских -18».
После закрытия помещение церкви использовалось под склад маслозавода, здесь храни­лись подсолнечник, соя.
В годы Великой Отечественной войны из­менилось отношение ЦК ВКП(б) и правитель­ства к Православной Церкви, стали открывать­ся храмы, возвращаться из ссылок и лагерей священнослужители и миряне. По постановле­нию Совета по делам РПЦ при Совете Мини­стров СССР от 20 мая 1947 г. храм был передан верующим троичанам. С тех пор Димитриевская церковь не зак­рывалась и долгое время была единственным действующим храмом округи.