2 июня 1890 года на место священника определили священника станицы Кардаиловской Василия Коблова. Он стал первым настоятелем храма. 30-го сентября 1890 года, накануне праздника Покрова Божией Матери, под жестяными белыми крестами Его Преосвященством, Преосвященнейшим Макарием, Епископом Оренбургским и Уральским при полном стечении народа было совершено освящение третьего в новой слободке Оренбурга храма во имя святого великомученика Димитрия Солунского.
В скором времени стало очевидно, что построенный храм мал и требует расширения. В 1895 году оренбургский епархиальный архитектор составил смету и план-проект церкви с предполагавшимися двумя пристройками для алтарей, реализация которого затянулась на долгое время из-за недостатка средств. По ходатайству прихожан и благотворителей Димитриевского храма и с благословения епископа Оренбургского и Уральского Владимира на средства купца 2-й гильдии Максима Макеева построили правый придел в честь Святой Троицы. 1-го августа 1899 года был освящен престол. А в 1900 году на средства генерала-майора Черехова и того же купца М.М. Макеева, ставшего церковным старостой, и других благотворителей завершилось строительство левого придела в честь Успения Божией Матери. Настоятель храма протоиерей Александр Словохотов подал Его Преосвященству Епископу Оренбургскому и Уральскому Владимиру прошение о том, что вся постройка согласно проекту закончена и он просит 13-го августа 1900 года, в воскресение, благословить и освятить святой престол.
В 1920-е годы решением Оренбургского губисполкома Дмитриевская церковь была изъята у её прежней общины за невыполнение условий договора и передана в пользование обновленческой общине. В 1930-х годах Дмитриевская церковь использовалась двумя общинами: «староцерковной» и обновленческой.
1933 году закрывают Димитриевскую церковь. Но в 1935 году его снова открывают и, после закрытия Казанского Кафедрального собора, переносят архиерейскую кафедру. Но православным принадлежал только левый придел. Центральный и правый приделы были захвачены «обновленцами». Осенью постановлением президиума Оренбургского облисполкома от 17 сентября 1938 года № 3 было утверждено более раннее постановление Оренбургского горсовета от 5 сентября 1938 года о закрытии Дмитриевской церкви, последней действующей в городе. В январе 1939 года церковь передавалась под клуб деткомиссии, но в связи с ее ликвидацией было принято решение передать здание Облкинотресту, обязанный изыскать средства для переоборудования строения и устройства в нем кинотеатра.
Во время Великой Отечественной войны на территории храма расположилась автомобильная рота Южно-Уральского округа. 5 января 1944 года верующие вновь подали заявление в Оренбургский горсовет с просьбой открыть Димитриевскую церковь, так как действующая с 1944 года Никольская церковь находилась на окраине города, в Форштадте, и снова получили отказ, который объяснили тем, что помещение занято автомобильной ротой. Последующие ходатайства, в апреле, июне, ноябре 1944 года и январе 1946 года, в горсовет о возвращении и передачи храма также были отклонены. Хотя к началу 1946 года автомобильная рота Южно-Уральского военного округа освободила территорию. А затем здесь открылся всем известный кинотеатр «Буревестник», просуществовавший более полувека.
В августе 1989 года по инициативе группы верующих в Центральном райисполкоме Оренбурга было зарегистрированно новое религиозное общество РПЦ. 27 сентября 1989 года Совет по делам религий при Совете Министров СССР постановил зарегистрировать религиозное общество и разрешить ему приобретение жилого дома с последующим использованием под молитвенные цели. 12-го февраля 1990 года согласно решению Оренбургского горисполкома здание бывшего Дмитриевского храма вновь было передано Православной Церкви.
27 февраля 1996 года в 12 часов дня при скоплении прихожан и жителей улиц Попова и Островского была установлен купол церкви. К ноябрю 1999 года привезли Табынский образ Божией Матери и икону святого Димитрия Солунского. Позже закончили строительство колокольни, и на ее открытие, 16 августа 1999 года, был отслужен молебен митрополитом Оренбургским и Бузулукским Валентином.
