L'église du grand martyr Dimitri de Thessalonique a été fondée par le dirigeant moldave Dimitri Cantemir, qui a également fondé la ville de Dmitrovsk, en 1721. Cependant, l'achèvement de la construction et la consécration de l'église n'ont eu lieu qu'en 1725.

À l'origine, l'église était dédiée aux saints Dimitri de Thessalonique, à l'empereur Constantin et à sa mère Hélène. C'était la première église à Dmitrovsk, servant d'église domestique aux princes Cantemir, et elle est restée la seule jusqu'en 1787. En 1789, l'église a été reconstruite, mais le retable et les icônes ont été conservés dans leur forme originale. L'église a deux autels. En 1802, elle a obtenu le statut d'église urbaine ou cathédrale. Aujourd'hui, c'est la seule église conservée et en activité à Dmitrovsk.

À la fin du XIXe siècle, la ville comptait 8 églises et trois chapelles, y compris l'église de Kazan (depuis 1787), la cathédrale de la Trinité (depuis 1812), l'église de Jean-Baptiste au cimetière (depuis 1842), l'église de la Protection (depuis 1863), l'église Soumeonov à la prison (depuis 1873), une église vieux-croyante, ainsi que des chapelles en l'honneur de l'icône de la Mère de Dieu "Réconfort de tous les affligés", avec l'icône de Nicolas le Bienheureux et celle de Saint Blaise. Après la construction de la cathédrale de la Trinité en 1787, l'église de Dimitri de Thessalonique est devenue paroissiale, mais les habitants continuent de l'appeler "l'Ancienne cathédrale". Le jour de la fête patronale de l'église, le 4 juin (22 mai selon le calendrier ancien), une foire appelée "Tsaris" avait lieu, qui était la plus ancienne à Dmitrovsk et a commencé à la fin des années 1720. Cette foire est restée la seule jusqu'à l'apparition d'autres églises et foires, et plus tard est devenue la plus grande et animée. Après la libération de la ville des fascistes en 1944, l'église détruite a été restaurée par l'artiste-photographe A.A. Teterkin, fils du célèbre peintre d'église A.A. Teterkin, qui est arrivé à Dmitrovsk depuis Karachev en 1891.

Aujourd'hui, l'église de Dmitrov se trouve dans la partie sud de la ville, près du centre, à l'adresse rue Socialiste, 25.