La iglesia del gran mártir Dimitri de Salónica, construida con fondos de la catedral y consagrada en 1873, se encontraba en el cementerio de la ciudad y estaba adscrita a la catedral. Originalmente era de piedra con un campanario de madera, que fue reemplazado por uno de piedra en 1889. A principios del siglo XX, gracias a donaciones, se añadieron dos capillas: la del sur en honor al primer mártir Esteban y la del norte en honor a la princesa Olga. Se considera que Esteban era el nieto del primer constructor de la iglesia, Dimitri Yaroslavtsev, y Olga su esposa. En el recinto de la iglesia se encuentra la tumba de Esteban y Olga.

La iglesia tiene forma de barco, con capillas añadidas. El tambor de luz está coronado por una cúpula, rodeada de cuatro pequeñas cúpulas. Al oeste se encuentra un campanario octogonal con cúpula y cruz. En la decoración del segundo nivel del campanario se han utilizado anchos rectangulares y nichos. La decoración exterior de la iglesia es sobria, lo que subraya su triste propósito. Las aberturas de las ventanas están enmarcadas con estrictos marcos, y los cornisas están adornados con un cinturón de pilastras. La iglesia combina un estilo clásico con elementos de barroco. Inicialmente, los servicios se realizaban alternativamente por el clero de la catedral en días domingos, festivos y sábados, más tarde, diariamente.

Durante la época soviética, el clero y los feligreses permanecieron fieles al patriarca Tikhon y al metropolitano Sergius, invitando a los servicios a obispos de la antigua iglesia, como el obispo Nicolás de Amasea. En este período, la iglesia se volvió independiente de la catedral, centro del renovacionismo en Troitsk. Entre los sacerdotes estaba Víctor Fedorovich Petropavlovsky, quien sirvió en la iglesia hasta su cierre, después de lo cual se trasladó a la iglesia de Alejandro Nevski. Otro sacerdote fue Alexander Alexandrovich Nikolsky, quien sirvió hasta 1930.

El 11 de mayo de 1930, la iglesia fue liquidada y sus bienes fueron transferidos al Fondo Estatal. En el acta de recepción se destacó la riqueza de la decoración de la iglesia, lo que se explica por la transferencia de utensilios de templos cerrados. Después del cierre, el edificio se utilizó como almacén de una fábrica de aceite.

Durante la Gran Guerra Patria, la actitud hacia la Iglesia Ortodoxa cambió, y por decreto del Consejo de Asuntos de la Iglesia Ortodoxa Rusa del 20 de mayo de 1947, el templo fue devuelto a los creyentes. Desde entonces, la iglesia de Dimitri no ha cerrado y ha permanecido durante mucho tiempo como el único templo en funcionamiento en la región.