Le temple a été fondé en 1795 au cimetière de Chulkovo. Sa construction s'est achevée six ans plus tard, et en 1801, le temple a été consacré et ouvert comme cimetière et sans revenus. À l'origine, il était destiné à la descente du Saint-Esprit, mais il a été consacré en l'honneur du grand martyr Dimitri de Thessalonique. Cela s'est produit parce qu'en ce jour, les habitants organisaient des célébrations bruyantes, ce qui ne convenait pas à l'évêché orthodoxe. Pour séparer la fête religieuse de la fête païenne, il a été décidé de déplacer la fête patronale à une date ultérieure. Jusqu'en 1808, le temple n'avait pas de prêtre, et pour les services religieux, un prêtre de l'église de la Nativité du Christ était invité.

Dans les années 1820, une salle à manger et un clocher de style classique ont été ajoutés au temple. En 1828, deux chapelles ont été ajoutées : celle de la Nativité de Jean-Baptiste et celle des Apôtres Pierre et Paul. Plus tard, une école paroissiale a été ouverte.

Les principales reliques du temple incluent la croix de Jérusalem et l'arche avec une parcelle des reliques du saint grand martyr Dimitri de Thessalonique, une icône avec une parcelle des reliques des saints martyrs des enfants de Bethléem et une statue-icône de Nicolas de Mozhaisk.

La paroisse de Dimitri de Thessalonique n'a été formée qu'en 1866, lorsque une partie du faubourg de Chulkovo a été attribuée au temple.

À l'époque soviétique, le temple a été fermé deux fois : en 1924 et de 1940 à 1946. Jusqu'aux années 1980, le temple du saint grand martyr Dimitri de Thessalonique est resté l'un des quatre temples actifs de Tula. Depuis 1991, le bâtiment du temple est protégé par l'État en tant que monument d'histoire et de culture d'importance régionale.

Depuis 2005, une école du dimanche pour enfants fonctionne au temple, où des clercs du temple, le chantre de la chorale de l'église et des enseignants de l'école du dimanche enseignent. Depuis 2007, une école du dimanche pour adultes avec un accent catéchétique est en activité.