L'église du grand martyr Dimitri de Thessalonique, construite avec les fonds de la cathédrale et consacrée en 1873, se trouvait au cimetière municipal et était rattachée à la cathédrale. À l'origine, elle était en pierre avec un clocher en bois, remplacé en 1889 par un clocher en pierre. Au début du XXe siècle, grâce à des dons, deux chapelles ont été ajoutées : la chapelle sud en l'honneur du premier martyr Étienne et la chapelle nord en l'honneur de la princesse Olga. On considère qu'Étienne était le petit-fils du premier constructeur de l'église Dimitri Yaroslavtsev, et qu'Olga était sa femme. Dans l'enceinte de l'église se trouve la tombe d'Étienne et d'Olga.

L'église a une forme de navire, avec des chapelles annexées. Le tambour lumineux est surmonté d'un dôme, entouré de quatre petites coupoles. À l'ouest se trouve un clocher octogonal avec un dôme et une croix. Dans la décoration du deuxième étage du clocher, des bandeaux rectangulaires et des niches ont été utilisés. Le décor extérieur de l'église est sobre, ce qui souligne sa destination de deuil. Les ouvertures des fenêtres sont encadrées de linteaux stricts, et les corniches sont ornées d'une ceinture de pilastres. L'église allie un style classique à des éléments baroques. À l'origine, les services étaient célébrés à tour de rôle par le clergé de la cathédrale les dimanches, jours de fête et samedis, puis quotidiennement.

À l'époque soviétique, le clergé et les paroissiens sont restés fidèles au patriarche Tikhon et au métropolite Serge, invitant à leurs services des évêques de l'ancienne église, tels que l'évêque Nicolas d'Amassie. Pendant cette période, l'église est devenue indépendante de la cathédrale, centre du renouveau à Troitsk. Parmi les prêtres se trouvait Viktor Fedorovich Petropavlovsky, qui a servi dans l'église jusqu'à sa fermeture, après quoi il est passé à l'église Alexandre-Nevski. Un autre prêtre était Alexandre Alexandrovich Nikolsky, qui a servi jusqu'en 1930.

Le 11 mai 1930, l'église a été liquidée et ses biens transférés au Fonds d'État. Dans l'acte de réception, la richesse de la décoration de l'église était notée, ce qui s'explique par le transfert de vaisselle provenant d'églises fermées. Après sa fermeture, le bâtiment a été utilisé comme entrepôt d'une laiterie.

Pendant la Grande Guerre patriotique, l'attitude envers l'Église orthodoxe a changé, et par décret du Conseil des affaires de l'Église orthodoxe russe du 20 mai 1947, le temple a été restitué aux croyants. Depuis lors, l'église de Dimitri n'a jamais été fermée et est restée longtemps le seul temple actif dans la région.