Часовня, возведённая в 2004 году в стиле классицизма, расположена в центре Дмитровска на месте бывшего Свято-Троицкого собора.

Троицкий собор был основан в 1802 году, а строительство его каменного здания началось в 1810 году. Работы велись в несколько этапов на средства, собранные через добровольные пожертвования, которые превысили 36 000 рублей. Строительством руководил соборный протоиерей Филипп Леонутов. Первые богослужения состоялись в 1812 году, а в 1817 году собор был освящён. К 1821 году строительство храма завершилось, но в 1832 году к нему пристроили два придела, что изменило его первоначальный облик. Помимо главного придела, посвящённого Пресвятой Троице, в храме были приделы Успения Пресвятой Богородицы и Георгия Победоносца. Собор посещали жители центральных районов Дмитровска и близлежащих деревень Аношинки и Вертякина. В трапезной церкви могли разместиться до двух тысяч человек. В народе храм называли Новым собором, в отличие от храма Димитрия Солунского, который считался Старым собором.

В 1865 году из Троицкого собора в новый приход Покровского храма Дмитровска были переведены священник Василий Никитский, диакон Ипатий Кропотов и пономарь Михаил Фёдоров. В том же году протоиерей Иоанн Леонутов стал городским и сельским благочинным 1-го участка Дмитровского благочиния, а протоиерей Павел Мещерский, сельским благочинным 2-го участка.

К 1885 году в Троицком соборе служили протоиерей Дмитрий Матвеевич Никаноров, награждённый орденом Святой Анны 3-й степени, священник Фёдор Георгиевич Ильинский и дьякон Афанасий Яковлевич Лебедев. Храм относился к 1-му участку Дмитровского благочиния. В 1897 году здесь служили протоиерей Николай Николаевич Ливанов, священник Василий Ермолаевич Рязанов, дьяконы Афанасий Яковлевич Лебедев и Иван Николаевич Нефедьев. В 1910 году в соборе служили штатный протоиерей Лев Иванович Адамов, священник Тихон Иванович Андреев, дьякон Стратон Павлович Сергеев и дьякон-псаломщик Евлампий Петрович Вознесенский. При соборе действовало уездное отделение епархиального училищного совета.

Во время Великой Отечественной войны, осенью 1941 года, когда фронт приблизился к Брянску, местные власти по указанию райисполкома начали разрушение Свято-Троицкого собора. Полностью разрушить храм тогда не удалось, и окончательно он был разобран в 1950-е годы.