Храм был возведен на средства графа Николая Петровича Шереметева в период с 1794 по 1801 год в стиле классицизма. В проектировании участвовали московский архитектор Е. Назаров, а также крепостные архитекторы Душкин и Андрей Миронов. Существует мнение, что роскошная колоннада западного портика, ниши со статуями и многофигурные барельефы были созданы известным зодчим Кваренги. Димитриевская церковь строилась как главный храм Спасо-Яковлевского монастыря.

На строительство храма Николай Петрович Шереметев потратил 55 000 рублей, а на его убранство, 10 000 рублей. В обители чтили память жертвователя, и для поминовения рода Шереметевых в Димитриевском храме ежедневно проводилась ранняя литургия.

27 октября 1801 года, в день памяти святителя Димитрия, храм, основанный в его честь, был освящен ярославским архиепископом Павлом. В 1804 году в трапезной этого храма были устроены два придела: правый, посвященный святому Николаю, небесному покровителю Николая Шереметева, и левый, освященный в честь великомученика Димитрия Солунского, тезоименитого святого ростовского святителя Димитрия.

В 1800-1801 годах по заказу графа интерьер церкви расписал ростовский живописец, крепостной помещиков Филатьевых, Порфирий Семенов Рябов. Декоративная роспись клеевыми красками четко подчеркивает архитектурное пространство классического храма. Основная часть росписи выполнена в технике гризайль и покрывает своды и арки сеткой кессонов на голубом фоне. В центре большого купола расположен круглый плафон с изображением «Новозаветной Троицы» на фоне облаков, окруженный ангелами. Вокруг него находятся 12 овальных медальонов с изображениями апостолов. Между овалами расположены голубые полосы с лепным арабесковым орнаментом, раскрашенным в белый и черный цвета. На парусах свода размещены лепные овалы с изображениями евангелистов, а между ними, головки храмов.

Декоративное убранство стен было обновлено масляной краской в 1869-1870 годах по заказу графа Дмитрия Николаевича Шереметева. Работы выполнял Алексей Николаевич Бубнов.

Стены украшены колоннами и пилястрами из серого искусственного мрамора. На южной стене изображены святой Димитрий Ростовский и святой Сергий Радонежский, на северной, святой Илларион Великий и святая мученица Александра. В конхе центрального алтаря изображена «Новозаветная Троица», над алтарным окном, «Спас на убрусе», на северной стене алтаря, московские митрополиты, а на южной, вселенские святители. Над западным входом в храм изображен сюжет «Пострижение святителя Димитрия Ростовского».

Сохранившийся иконостас открывается в алтарь широкой аркой. Он украшен изумрудно-зелеными пилястрами с золочеными капителями и завершается фронтоном. В иконостасе находятся две иконы, написанные маслом: слева, «Богоматерь», справа, «Спас на троне». Проект иконостаса из «поддельного мрамора» был разработан Константином Александровичем Докушевским. Мраморную работу выполнил московский мастер Адриан Степанов Ремизов, резные капители, столяр из деревни Смертино Ростовского уезда Владимир Лаврентьев, золочение, мастер московского цеха Василий Сергеев Нестеров, а окраску «под мрамор», ростовский мещанин Илья Николаев Бубнов. Иконы первоначального иконостаса сохранились, их написал Николай Тяпин из Подмосковья. В угловых выступах центрального иконостаса размещены его же иконы: с восточной стороны, «Святой Димитрий» и «Святой Иаков» на дереве, а с западной, «Святой Николай Чудотворец» и «Святая мученица Параскева» на холсте. Последние соименны графу и графине Шереметевым.

У южной стены храма находится белый мраморный балдахин, установленный в 1909-1910 годах над прахом митрополита Димитрия. Мощи пребывали в соборе ежегодно с 25 мая по 28 октября. Верхняя часть балдахина украшена барельефом с изображением архиерейской митры, двух скрещенных подсвечников и двух лавровых ветвей. На балдахине надпись: «Святителю отче Димитрие моли Бога о нас».

Наружную и внутреннюю лепнину Дмитриевской церкви выполнил немецкий мастер, уроженец Дрездена Иван Фохта, а в конце 1860-х, начале 1870-х годов ее обновил мастер из Костромской губернии Евграф Васильев Исаков.