Церковь великомученика Димитрия Солунского была приписная к собору, кладбищенская, построена на городском кладбище на средства собора и освящена в 1873 году.
Изначально церковь была каменной, с деревянной отдельно стоящей колокольней, каменная колокольня пристроена в 1889 году. В начале XX века 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 ниши. 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 года. 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, сын диакона. По окончании Уфимской семинарии в 1883 г. он был определен псаломщиком в Свято-Троицкий собор г. Троицка. В 1894 году В. Петропавловский был рукоположен в сан священника и направлен в приход станицы Великопетровской, позднее по прошению возвращен в Троицкий собор. В 1907 году 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 года до закрытия о. Виктор священствовал в Димитриевской церкви, после чего перешел в Александро-Невскую церковь.
Другим священником Димитриевской церкви с 1918 года по 1930 год был Александр Александрович Никольский. 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 года начальник административного отдела Троицкого окрисполкома получил рапорт, что на основании постановления Президиума ВЦИКот 18 февраля 1930 года 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.
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 года храм был передан верующим троичанам. С тех пор Димитриевская церковь не закрывалась и долгое время была единственным действующим храмом округи.
