Храм в селе Клявлино был возведен в 1896 году благодаря усилиям прихожан и поддержке Самарского епархиального комитета Миссионерского общества, который также выделял средства. Это строительство стало частью программы епископа Гурия Буртасовского, направленной на просвещение поволжских народов светом христианской веры. Храм, рассчитанный на 500 человек, был деревянным, стоял на каменном фундаменте, крытым железом, и был холодным. Рядом с ним находилась деревянная колокольня. Престол был один, посвященный святому великомученику Димитрию Солунскому, и его освящение провел 10 апреля 1898 года благочинный 4-го округа Бугурусланского уезда, священник из села Смолькова И. М. Боголюбов.

До 1900 года храм функционировал как «церковь-школа». В его штате числились один священник и один псаломщик, для которых в 1899 году были построены дома. Также при храме находились сторожка, дом просфорни и баня для причта. В 1912 году приходская библиотека насчитывала 160 томов. Проблема чересполосицы причтовых земель была актуальна в синодальный период, и на примере клявлинского прихода это хорошо видно. Выделенные сельскими обществами земли не всегда были удобны для использования. Так, в Клявлино церковная земля была распределена в трёх полях по 11 десятин каждое, что оказалось неудобным. В 1914 году причт церкви в своем рапорте отмечал: «Из 3-х два поля нужно считать неудобными для пользования посевами тем, что, соприкасаясь с крестьянскими выгонами, подвергаются всегда потравам».

В 1898 году в Клявлино открылась одноклассная смешанная церковно-приходская школа. В 1902 году аналогичная школа появилась в деревне Петропавловской. Здания школ были деревянными, крытыми железом. В 1912 году в обеих школах обучалось 62 мальчика и 25 девочек. В приходе было три населённых пункта. Население села Клявлино было смешанным, с преобладанием чувашей и мордвы, русских насчитывалось всего 40 дворов. Деревни Петропавловка и Александровка были чисто русскими по этническому составу. Кроме крестьян и духовенства, в приходе было 44 двора мещан.

В 1900 году священником в Клявлино назначили Гавриила Ивановича Перепёлкина, выходца из чувашских крестьян. С 1883 по 1893 год он трудился окружным миссионером 3-го благочиннического округа Бугульминского уезда по линии Самарского епархиального комитета Миссионерского общества, крестив 63 язычника. В 1884 и 1893 годах о. Гавриил занимал должность наблюдателя церковно-приходских школ того же округа. 22 и 28 августа 1899 года он участвовал в съезде деятелей инородческого просвещения в Самаре, который собрал священников и учителей из поволжских епархий. В его просветительской работе ему помогал псаломщик Феодот Петров, также этнический чуваш.

После закрытия в 1930-е годы храм некоторое время пустовал. Во время Великой Отечественной войны его переоборудовали в детский дом для беженцев из Украины и Белоруссии. После войны здание использовалось как клуб до 1987 года. Лишь в 1990 году храм был возвращен верующим.