Am 2. Juni 1890 wurde der Priester Wasilij Koblow aus der Staniza Kardailowskaja zum ersten Pfarrer der neuen Kirche ernannt. Am 30. September 1890, am Vorabend des Festes der Schutzmantel der Heiligen Mutter Gottes, weihte der Bischof von Orenburg und Ural, Makarius, die dritte Kirche in der neuen Siedlung Orenburg, die dem heiligen Märtyrer Dimitrius von Thessaloniki gewidmet war, im Beisein einer großen Anzahl von Gläubigen.

Im Laufe der Zeit wurde klar, dass die Kirche zu klein war und einer Erweiterung bedurfte. 1895 entwarf der orenburgische Diözesanarchitekt ein Projekt mit zwei Anbauten für die Altäre, aber aufgrund von Geldmangel verzögerte sich die Umsetzung. Dank der Spenden der Gemeindemitglieder und Wohltäter, darunter der Kaufmann 2. Gilde Maxim Makeev, wurde der rechte Seitenaltar zu Ehren der Heiligen Dreifaltigkeit errichtet, der am 1. August 1899 geweiht wurde. Im Jahr 1900 wurde der Bau des linken Seitenaltars zu Ehren der Entschlafung der Heiligen Mutter Gottes mit Mitteln des Generalmajors Tscherichow und Makeev, der zum Kirchenältesten wurde, abgeschlossen. Der Pfarrer der Kirche, Protopresbyter Alexander Slowochotow, wandte sich am 13. August 1900 an den Bischof Wladimir mit der Bitte, den Altar zu weihen.

In den 1920er Jahren wurde die Dmitriuskirche aufgrund der Nichterfüllung der Vertragsbedingungen an die reformierte Gemeinde übergeben. In den 1930er Jahren wurde die Kirche von zwei Gemeinden genutzt: der „altgläubigen“ und der reformierten. 1933 wurde die Kirche geschlossen, aber 1935 wieder eröffnet, und nach der Schließung der Kazan-Kathedrale wurde hier der Bischofssitz verlegt. Allerdings gehörte den Orthodoxen nur der linke Seitenaltar, während der zentrale und der rechte bei den Reformierten blieben. Am 17. September 1938 wurde die Kirche endgültig geschlossen, und im Januar 1939 wurde das Gebäude an den Oblkino Trust zur Umwandlung in ein Kino übergeben.

Während des Großen Vaterländischen Krieges befand sich auf dem Gelände der Kirche eine Automobilschwadron des Süduralischen Kreises. Am 5. Januar 1944 wandten sich Gläubige an den Stadtrat mit der Bitte, die Kirche zu öffnen, erhielten jedoch eine Ablehnung aufgrund der Belegung des Raumes. Weitere Anfragen in den Jahren 1944 und 1946 wurden ebenfalls abgelehnt, obwohl die Schwadron das Gelände geräumt hatte. Später wurde hier das Kino „Burevestnik“ eröffnet, das mehr als ein halbes Jahrhundert bestand.

Im August 1989 registrierte eine Gruppe von Gläubigen eine neue religiöse Gesellschaft der Russischen Orthodoxen Kirche im Zentralen Stadtvorstand von Orenburg. Am 27. September 1989 erlaubte der Rat für Religionsangelegenheiten der Gesellschaft, ein Wohnhaus für Gebetszwecke zu erwerben. Am 12. Februar 1990 wurde das Gebäude der ehemaligen Dmitriuskirche an die Orthodoxe Kirche zurückgegeben.

Am 27. Februar 1996 wurde bei großer Ansammlung von Gemeindemitgliedern und Anwohnern der Straßen Popow und Ostrowski die Kuppel der Kirche aufgestellt. Bis November 1999 wurde das Tabynski-Bild der Heiligen Mutter Gottes und das Ikone des heiligen Dimitrius von Thessaloniki in die Kirche gebracht. Später wurde der Bau des Glockenturms abgeschlossen, und am 16. August 1999 hielt der Metropolit von Orenburg und Buzuluk, Valentin, einen Gottesdienst zu seiner Eröffnung.