Die Kirche des großen Märtyrers Dimitrius von Thessaloniki, erbaut mit Mitteln der Kathedrale und 1873 geweiht, befand sich auf dem städtischen Friedhof und war der Kathedrale zugeordnet. Ursprünglich war sie aus Stein mit einem hölzernen Glockenturm, der 1889 durch einen steinernen ersetzt wurde. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden dank Spenden zwei Kapellen hinzugefügt: die südliche zu Ehren des ersten Märtyrers Stephanus und die nördliche zu Ehren der Fürstin Olga. Es wird angenommen, dass Stephanus der Enkel des ersten Baumeisters der Kirche Dimitrius Jaroslawzew war und Olga seine Frau. Auf dem Gelände der Kirche befindet sich das Grabmal von Stephanus und Olga.

Die Kirche hat eine schiffsförmige Gestalt mit angebauten Kapellen. Der Lichttrommel ist mit einer Kuppel gekrönt, die von vier kleinen Türmchen umgeben ist. Im Westen befindet sich ein achteckiger Glockenturm mit Kuppel und Kreuz. Bei der Gestaltung der zweiten Etage des Glockenturms wurden rechteckige Blenden und Nischen verwendet. Die äußere Dekoration der Kirche ist zurückhaltend, was ihren traurigen Zweck unterstreicht. Die Fensteröffnungen sind mit strengen Rahmen versehen, die Gesimse sind mit einem Gürtel von Lisenen geschmückt. Die Kirche vereint klassischen Stil mit Elementen des Barock. Ursprünglich fanden die Gottesdienste abwechselnd mit dem Kathedralen-Priester an Sonntagen, Feiertagen und Samstagen statt, später täglich.

In der Sowjetzeit blieben das Priestertum und die Gemeindemitglieder dem Patriarchen Tichon und dem Metropoliten Sergius treu und luden Bischöfe der alten Kirche, wie Bischof Nikolai von Amassia, zu den Gottesdiensten ein. In dieser Zeit wurde die Kirche unabhängig von der Kathedrale, dem Zentrum der Erneuerung in Troizk. Unter den Priestern war Viktor Fedorowitsch Petropawlowski, der bis zur Schließung der Kirche dort diente und danach zur Alexander-Newski-Kirche wechselte. Ein anderer Priester war Alexander Alexandrowitsch Nikolsky, der bis 1930 diente.

Am 11. Mai 1930 wurde die Kirche liquidiert und ihr Eigentum dem Staatsfonds übergeben. Im Abnahmeakt wurde der Reichtum der Ausstattung der Kirche vermerkt, was durch die Übertragung von Geräten aus geschlossenen Tempeln erklärt wird. Nach der Schließung wurde das Gebäude als Lager für eine Ölmühle genutzt.

Während des Großen Vaterländischen Krieges änderte sich die Einstellung zur Orthodoxen Kirche, und durch den Beschluss des Rates für die Angelegenheiten der Russischen Orthodoxen Kirche vom 20. Mai 1947 wurde der Tempel den Gläubigen zurückgegeben. Seitdem wurde die Dimitrievskaja Kirche nicht mehr geschlossen und blieb lange Zeit die einzige aktive Kirche in der Umgebung.