El 2 de junio de 1890, el sacerdote Vasili Koblov de la stanitsa Kardailovskaya fue nombrado primer rector de la nueva iglesia. El 30 de septiembre de 1890, víspera de la festividad de la Protección de la Madre de Dios, el obispo de Orenburgo y Ural, Macario, consagró la tercera iglesia en el nuevo barrio de Orenburgo, dedicada al santo gran mártir Dimitri de Salónica, en presencia de un gran número de fieles.

Con el tiempo, se hizo evidente que la iglesia era demasiado pequeña y necesitaba ampliación. En 1895, el arquitecto diocesano de Orenburgo desarrolló un proyecto con dos anexos para los altares, pero debido a la falta de fondos, la realización se retrasó. Gracias a las donaciones de los feligreses y benefactores, incluido el comerciante de la segunda guilda Maxim Makeyev, se construyó el altar derecho en honor a la Santísima Trinidad, consagrado el 1 de agosto de 1899. En 1900 se completó la construcción del altar izquierdo en honor a la Asunción de la Madre de Dios con fondos del general mayor Cherekhov y Makeyev, quien se convirtió en el anciano de la iglesia. El rector de la iglesia, el protoiereo Alexander Slovokhotov, se dirigió al obispo Vladimir con la solicitud de consagrar el altar el 13 de agosto de 1900.

En la década de 1920, la iglesia de Dimitri fue entregada a la comunidad renovacionista debido al incumplimiento de las condiciones del contrato. En la década de 1930, la iglesia fue utilizada por dos comunidades: la 'vieja iglesia' y la renovacionista. En 1933, la iglesia fue cerrada, pero en 1935 se reabrió, y tras el cierre de la Catedral de Kazán, aquí se trasladó la sede del obispo. Sin embargo, los ortodoxos solo poseían el altar izquierdo, mientras que el central y el derecho permanecieron con los renovacionistas. El 17 de septiembre de 1938, la iglesia fue cerrada definitivamente, y en enero de 1939, el edificio fue entregado a Oblkinotrest para ser convertido en cine.

Durante la Gran Guerra Patriótica, en el territorio de la iglesia se encontraba una compañía de automóviles del distrito del Sur de los Urales. El 5 de enero de 1944, los creyentes se dirigieron al consejo de la ciudad con la solicitud de abrir la iglesia, pero recibieron una negativa debido a la ocupación del local. Las solicitudes posteriores en 1944 y 1946 también fueron rechazadas, a pesar de que la compañía había liberado el territorio. Más tarde, aquí se abrió el cine 'Burevestnik', que funcionó durante más de medio siglo.

En agosto de 1989, un grupo de creyentes registró una nueva sociedad religiosa de la Iglesia Ortodoxa Rusa en el comité ejecutivo del distrito central de Orenburgo. El 27 de septiembre de 1989, el Consejo de Asuntos Religiosos permitió a la sociedad adquirir una casa residencial para fines de oración. El 12 de febrero de 1990, el edificio de la antigua iglesia de Dimitri fue devuelto a la Iglesia Ortodoxa.

El 27 de febrero de 1996, con una gran afluencia de feligreses y residentes de las calles Popov y Ostrovsky, se instaló la cúpula de la iglesia. Para noviembre de 1999, se trajo a la iglesia la imagen de Tabyn de la Madre de Dios y el ícono del santo Dimitri de Salónica. Más tarde se completó la construcción del campanario, y el 16 de agosto de 1999, el metropolitano de Orenburgo y Buzuluk, Valentín, celebró un moleben en su inauguración.