Le 2 juin 1890, le prêtre Vassili Koblov de la stanitsa de Kardailovskaya a été nommé premier recteur de la nouvelle église. Le 30 septembre 1890, la veille de la fête de la Protection de la Mère de Dieu, l'évêque d'Orenbourg et d'Oural, Makari, a consacré la troisième église dans le nouveau quartier d'Orenbourg, dédiée au saint grand martyr Dimitri de Thessalonique, en présence d'un grand nombre de croyants.

Avec le temps, il est devenu clair que l'église était trop petite et avait besoin d'extensions. En 1895, l'architecte diocésain d'Orenbourg a élaboré un projet avec deux annexes pour les autels, mais en raison d'un manque de fonds, la réalisation a été retardée. Grâce aux dons des paroissiens et des bienfaiteurs, y compris le marchand de la 2e guilde Maxim Makeev, le chœur droit a été construit en l'honneur de la Sainte Trinité, consacré le 1er août 1899. En 1900, la construction du chœur gauche en l'honneur de l'Assomption de la Mère de Dieu a été achevée grâce aux fonds du général-major Cherekhov et de Makeev, devenu le chef de l'église. Le recteur de l'église, le protodiacre Alexandre Slovokhotov, a demandé à l'évêque Vladimir de consacrer l'autel le 13 août 1900.

Dans les années 1920, l'église de Dimitri a été transférée à la communauté rénovée en raison du non-respect des conditions du contrat. Dans les années 1930, l'église a été utilisée par deux communautés : « l'ancienne église » et la communauté rénovée. En 1933, l'église a été fermée, mais en 1935, elle a été rouverte, et après la fermeture de la cathédrale de Kazan, le siège épiscopal y a été transféré. Cependant, les orthodoxes ne possédaient que le chœur gauche, tandis que le central et le droit restaient aux rénovateurs. Le 17 septembre 1938, l'église a été définitivement fermée, et en janvier 1939, le bâtiment a été transféré à l'Oblkinotrest pour être réaménagé en cinéma.

Pendant la Grande Guerre patriotique, le territoire de l'église abritait une compagnie automobile du district du Sud-Oural. Le 5 janvier 1944, les croyants se sont adressés au conseil municipal pour demander l'ouverture de l'église, mais ont reçu un refus en raison de l'occupation des lieux. Les demandes ultérieures en 1944 et 1946 ont également été rejetées, bien que la compagnie ait libéré le territoire. Plus tard, un cinéma « Burevestnik » a ouvert ici, qui a fonctionné pendant plus d'un demi-siècle.

En août 1989, un groupe de croyants a enregistré une nouvelle société religieuse de l'Église orthodoxe russe au comité exécutif central d'Orenbourg. Le 27 septembre 1989, le Conseil des affaires religieuses a permis à la société d'acquérir une maison résidentielle à des fins de prière. Le 12 février 1990, le bâtiment de l'ancienne église de Dimitri a été restitué à l'Église orthodoxe.

Le 27 février 1996, en présence d'un grand nombre de paroissiens et d'habitants des rues Popov et Ostrovsky, le dôme de l'église a été installé. En novembre 1999, l'image de Tabyn de la Mère de Dieu et l'icône de saint Dimitri de Thessalonique ont été amenées à l'église. Plus tard, la construction du clocher a été achevée, et le 16 août 1999, le métropolite d'Orenbourg et de Buzuluk, Valentin, a célébré un service pour son ouverture.