Идея возведения Димитриевской церкви принадлежала известному алтайскому инженеру и общественному деятелю Петру Козьмичу Фролову. В начале XIX века он занимал должность начальника Алтайского Кабинета Двора Его Императорского Величества и одновременно был Томским гражданским губернатором. Приближался столетний юбилей Алтайских горных заводов, ежегодно производивших около тысячи пудов серебра. В честь этого события решили создать уникальный для сибирских городов архитектурный ансамбль. Так возникла идея строительства Демидовской площади, которую позже путешественники называли «уголком Петербурга» в Барнауле. На главной площади города планировалось возвести здание горного госпиталя, училища и богадельни. Поскольку в богадельне должны были находиться больные и увечные, её решили строить вместе с храмом Димитрия Ростовского.

Церковь заложили 6 августа 1829 года. В отличие от других зданий на Демидовской площади, её строительство шло довольно быстро. 24 августа 1830 года в Барнаул прибыл архимандрит Макарий Глухарев, основатель Алтайской духовной миссии. Под сводами Димитриевской церкви он встретился с академиком живописи Михаилом Ивановичем Мягковым из Санкт-Петербурга, который занимался росписью храма. До освящения оставалось около полугода, но значительная часть работ уже была завершена. Макарий высоко оценил труд художника и пригласил его участвовать в росписи одного из будущих храмов Алтайской миссии. Впоследствии Мягков построил и расписал храм в Улале, ныне Горно-Алтайске, на свои средства. Вскоре строительство Димитриевской церкви было завершено, и в 1831 году её освятили.

Петр Козьмич Фролов не только активно участвовал в строительстве церкви, но и делал значительные пожертвования. Он предоставил всё необходимое для богослужений: облачения, иконы, серебряные кадила, кресты, дароносицы, подсвечники, а также около 20 картин на библейские сюжеты, выполненные художниками Лафранка, Дончи, Биллертом, Николой Пуссеном и другими. Фролов также подарил шесть пудов свечей и три пуда ладана.

В 1905 году по проекту архитектора Ивана Носовича рядом с храмом построили часовню, с мозаичным образом Христа Спасителя, пожертвованным академиком А.Н. Фроловым. Пол часовни также был выполнен из мозаики.

В 1920-х годах храм был закрыт, и в его здании поочередно размещались кинотеатр, цирк и спортивный зал, что способствовало его разрушению. В 1994 году здание вернули церкви. Прежде чем начать восстановление, его долго очищали от мусора. В 1996 году настоятелем был назначен протоиерей Николай Войтович. Были восстановлены крыша, перекрытия, потолок и стены, установлены окна и двери, отреставрирована пристройка. В 1997 году в пристройке освятили престол в честь святителя Николая.

19 мая 2009 года епископ Барнаульский и Алтайский Максим освятил купол с крестом, установленный на храм. К осени 2012 года восстановление было в основном завершено, и 9 ноября после малого освящения в храме возобновились регулярные богослужения.

Сегодня храм является объектом культурного наследия федерального значения. В алтаре хранится ковчег с частицей мощей святителя Димитрия Ростовского, который каждое воскресенье выносится во время чтения акафиста. При храме действует крестильный храм в честь святителя Николая Чудотворца, молодёжное Православное объединение «Слово», воскресная школа и библиотека.