Le temple a été construit entre 1671 et 1673 grâce aux efforts du prêtre Ioanniki, sur le site d'une ancienne église en bois, démolie en 1645. Selon le décret du tsar Alexeï Mikhaïlovitch, 100 000 briques, restées de la construction des tours en pierre de la fortification de Yaroslavl, ont été utilisées pour la construction. Dans le temple, trois chapelles ont été consacrées : à droite de l'autel, en l'honneur du Grand Martyr Dimitri de Thessalonique, à gauche, du Grand Martyr Georges le Victorieux, et dans le porche, des neuf martyrs de Kizik. L'église de Dimitri est un exemple de temple à deux colonnes de l'architecture yaroslavienne du XVIIe siècle. Vers 1700, un petit porche a été ajouté à l'église. À l'origine, l'église avait une coupole à cinq têtes, mais dans les années 1830, quatre des têtes latérales ont été démolies. À la même époque, un petit vestibule de style néoclassique a été ajouté du côté ouest. Le clocher, situé au coin nord-ouest de l'église, est conçu comme un petit toit conique sur un massif carré. En 1686, le temple a été peint, probablement par le célèbre peintre yaroslavien Dmitri Grigoriev Plekhanov. La peinture murale a beaucoup souffert après la restauration de 1859 par l'atelier de E.K. Diakonov. La thématique de la peinture, composée de 186 médaillons narratifs, est limitée aux scènes de l'Évangile et de l'acathiste à la Vierge Marie. Dans la coupole du tambour, est représenté le « Tout-Puissant », entre les fenêtres, huit prophètes, sur les voiles, les évangélistes. Sur la partie ouest de la voile, « Le Sauveur sur le drap », sur l'arc sous la coupole orientale, « La Sainte Trinité de l'Ancien Testament ». Les voûtes sont ornées de dix compositions de fêtes, telles que « La Nativité de la Vierge », « L'Annonciation », « La Nativité du Christ », « La Rencontre », « L'Entrée à Jérusalem », « La Résurrection », « L'Épiphanie » et « La Transfiguration ». La voûte centrale occidentale contient deux compositions : « La Crucifixion » et « L'Ascension ». Sur les arcs de soutien sont représentés 12 apôtres, deux par deux en taille réelle. Au-dessus des chapiteaux des piliers, dans des médaillons, six apôtres parmi les soixante-dix. Sur les piliers, en deux rangées, sont représentés des martyrs dans un cadre d'arcs peints. Parmi eux, du côté sud du pilier droit, est représenté de manière inhabituelle le prophète Élie, assis sur une pierre. Les murs nord et sud sont divisés en six niveaux. Les quatre niveaux supérieurs sont narratifs, le cinquième ornemental, le sixième un plafond. Les deux niveaux inférieurs ont été peints au XIXe siècle à l'huile. Dans les lunettes du mur sud se trouvent les compositions « Louange à la Mère de Dieu » et « Le Mariage à Cana de Galilée », dans les lunettes du mur nord, « La Descente du Saint-Esprit » et « L'Expulsion d'un esclave du banquet nuptial ». Au deuxième niveau, 10 tableaux illustrant la vie terrestre du Christ et des paraboles. Aux troisième et quatrième niveaux, le thème du temple est incarné avec 24 médaillons de chants solennels des kondaks et ikos de l'acathiste à la Vierge Marie. C'est le seul cycle d'acathiste dans les peintures murales yaroslaviennes du XVIIe siècle. Sur les pentes des fenêtres, trois médaillons avec des demi-figures de saints, martyrs et moines. Dans les arcs des clés, les emblèmes du Christ et des anges. Le mur occidental est occupé par une composition monumentale du Jugement Dernier avec des figures expressives de « Germains », condamnés à « la torture éternelle ». La peinture de l'autel se distingue par la noblesse de son style et la perfection de ses proportions. Dans la conque de l'autel central, la composition « En toi se réjouit », l'une des meilleures des fresques yaroslaviennes. Le décor de l'abside est réalisé en deux registres : dans le supérieur, de grandes figures de saints, dans le inférieur, 10 médaillons avec des martyrs. Sur les pentes de la fenêtre de l'autel, la scène de « L'Annonciation », sur le mur occidental de l'autel, « La Patrie ». La décoration de l'autel et du diaconat est similaire. Dans la conque de la chapelle de Georges, est représentée la Mère de Dieu sous l'apparence de la Reine des cieux, et dans la conque de la chapelle de Dimitri, « Louange à la Mère de Dieu ». Dans les deux absides sont représentés des moines, rappelant le rôle universel de l'Église russe. Parmi eux, les fondateurs des plus grands monastères russes : Abraham de Rostov, Macaire de Jeltovodsk, Savva de Zvenigorod, Serge et Nikon de Radonège, et d'autres. Les cycles de la vie de Georges et de Dimitri sont limités à quatre grandes compositions. Dans les scènes de torture et de supplice, les saints conservent calme et harmonie. Sur la barrière de l'autel dans la chapelle de Georges est représentée la Sainte Trinité de l'Ancien Testament, et dans la chapelle de Dimitri, une composition de déisis avec des apôtres. L'échelle des figures, leur modélisation, le travail des visages et des ornements, le lien avec l'architecture révèlent le talent de l'artiste. En 1872, à l'église de Dimitri de Thessalonique, Léonide Sobinov, le futur grand chanteur, a été baptisé. L'église a été fermée en 1929, restituée au diocèse au début des années 2000, et des travaux de restauration sont actuellement en cours.