Идея строительства Димитриевской церкви принадлежит известному алтайскому инженеру, изобретателю, общественному деятелю Петру Козьмичу Фролову. В начале XIX века он был начальником Алтайского Кабинета Двора Его Императорского Величества округа и одновременно — Томским гражданским губернатором. Приближалось 100-летие Алтайских горных заводов, ежегодная выплавка которых составляла около тысячи пудов серебра. Юбилей заводов решено было увековечить небывалым для сибирских городов архитектурным ансамблем. Так появилась идея строительства Демидовской площади, будущего «уголка Петербурга», как называли ее впоследствии приезжавшие в Барнаул путешественники. На главной площади города решили возвести здание горного госпиталя, горного училища и богадельни. А так как в богадельне предполагалось призревать людей больных и увечных, решили строить ее в комплексе с храмом Димитрия Ростовского.
Заложили церковь 6 августа 1829 года. В отличие от всего комплекса зданий Демидовской площади, строили ее довольно быстро. 24 августа 1830 года в Барнаул приехал основатель Алтайской духовной миссии архимандрит Макарий Глухарев. Под сводами Димитриевской церкви произошла встреча архимандрита Макария с академиком живописи из Санкт-Петербурга Михаилом Ивановичем Мягковым, который производил роспись храма. До освящения Димитриевской церкви оставалось около полугода, но значительная часть работ внутри храма к тому времени была уже завершена. Работа художника была по достоинству оценена преподобным Макарием, и он попросил Мягкова принять участие в росписи одного из будущих храмов Алтайской миссии. Впоследствии Михаил Иванович Мягков сделал все, что было в его силах: в Улале, ныне Горно-Алтайск, построил и расписал храм «собственным коштом», т.е. на свои средства. Вскоре строительство Димитриевской церкви было завершено, и в 1831 году храм был освящен.
Петр Козьмич Фролов уделял много времени не только строительству Димитриевской церкви, но и делал многочисленные ценные пожертвования для будущего храма. Среди пожертвований было, в частности, и все необходимое для совершения богослужений: облачения для священнослужителей, иконы, серебряные кадила, кресты, дароносицы, подсвечники. В особом ряду стоит около 20 картин на сюжеты Ветхого и Нового Заветов работы художников Лафранка, Дончи, Бил-лерта, Николы Пуссена и ряда других. Даже шесть пудов свечей и три пуда ладана было преподнесено храму заботливым жертвователем, Петром Фроловым.
В 1905 году по проекту барнаульского архитектора Ивана Феодосиевича Носовича недалеко от храма была построена великолепная часовня, справа и слева от нее находились небольшие ворота для входа в сад Димитриевской церкви. Академик из Санкт-Петербурга А.Н. Фролов пожертвовал для часовни мозаичный образ Христа Спасителя в терновом венце. Пол в часовне также был мозаичным.
В 1920 годах храм во имя святителя Димитрия, митрополита Ростовского был закрыт. В последующие десятилетия в здании церкви поочередно располагались кинотеатр, цирк, спортивный зал и т.д. Каждое из этих заведений вносило свой «вклад» в дело разрушения здания.
В 1994 году стены без крыши, с пустыми глазницами окон были, наконец, возвращены законным владельцам. Прежде чем начать восстановительные работы в храме, его пришлось долго очищать от хлама и мусора. В 1996 году настоятелем Димитриевской церкви был назначен старейший священнослужитель епархии протоиерей Николай Войтович. За короткий срок были сооружены крыша и перекрытия, обшиты потолок и стены, выложен плиткой пол, изготовлены и установлены окна и двери, отреставрирована пристройка к храму. В 1997 году в пристройке к храму епископом Барнаульским и Алтайским Антонием был освящен престол в честь святителя Николая, Мирликийского — пристройка была готова для совершения богослужений.
19 мая 2009 года Преосвященный Максим, епископ Барнаульский и Алтайский, освятил купол с крестом, который был установлен на храм. В осенние месяцы 2012 года восстановление храма было в основном завершено и 9 ноября после малого освящения в нем стали регулярно совершаться богослужения.
В настоящее время храм является объектом культурного наследия федерального значения. В алтаре храма хранится ковчег с частицей мощей святителя Димитрия, митрополита Ростовского, который каждое воскресенье выносится во время чтения акафиста святому. При храме действует крестильный храм в пределе в честь святителя Николая Чудотворца, молодежное Православное объединение «Слово», работает воскресная школа и библиотека.
