После основания Симского железоделательного завода в 1762 году купцы Яков Твердышев и Иван Мясников построили церковь Святого Димитрия Солунского. Она была возведена на церковной площади рядом с заводом. Существует две версии, почему храм получил имя Дмитриевского. Согласно первой, церковь освятили 8 ноября, в день памяти великомученика Димитрия Солунского. По другой версии, Мясникова мучила ностальгия по Москве, где его дом находился напротив церкви Димитрия Солунского. Возможно, это и повлияло на выбор названия для храма на Южном Урале.

Однако храм просуществовал недолго. В 1774 году, во время Крестьянской войны под предводительством Емельяна Пугачева, отряд бунтовщиков во главе с Салаватом Юлаевым захватил Сим и сжег завод, фабрику с плотиной и Дмитриевскую церковь.

Большинство источников утверждает, что храм был деревянным до сожжения. Однако, согласно запискам П. С. Палласа, посетившего Сим в 1770 году, здание уже тогда было каменным: «Дворы, принадлежащие заводским людям, лежат на левой стороне реки Сим, ниже плотины, выстроены и разделены на правильные улицы, числом до 160. Около молотовых оставлено пустое место, на коем стоят нововыстроенная каменная церковь, не худой жилой деревянный господский дом с садом и заводская контора». Это подтверждают и путевые заметки И. И. Лепехина. Есть предположение, что в 1759 году при Симском заводе была построена временная деревянная церковь, а каменная строилась несколько лет. Согласно этой версии, деревянная церковь стала часовней при каменной, и обе были сожжены пугачевцами.

После сожжения Дмитриевская церковь была восстановлена. В 1821 году владелица завода И. И. Бекетова выделила средства на обновление устаревшего храма. В письме к епископу она просила разрешение переделать ветхую каменную церковь по новому плану архитектора Малютина, утвержденному губернским архитектором Щербаковым, за исключением святого алтаря.

В 1872 году храм переосвятили после установки нового иконостаса и престола. В 1902 году, благодаря усилиям управляющего Симским горным округом Алексея Умова, на звонницу был установлен большой колокол.

Церковь закрыли в 1929 году, лишив колокольни и купола. Здание использовали по-разному: сначала как депо, затем как пожарную часть, позже как продуктовый склад. Во время Великой Отечественной войны здесь была заводская столовая.

Осенью 1990 года здание церкви вернули верующим, и к Пасхе 1991 года в храме прошла первая служба. Существенную помощь в восстановлении оказало предприятие ОАО «Агрегат». Реконструкция продолжается, и в планах прихода, полностью восстановить дореволюционный облик храма.

Храм Димитрия Солунского в Симе считается старейшим в Ашинском районе и одним из древнейших в Челябинской области, хотя здание подвергалось перестройке. Оно выполнено в стиле классицизма. Проект перестройки в 1820-х годах разработал архитектор Е. И. Малютин, но строители несколько отошли от его замысла. До революции храм имел купол на высоком барабане и колокольню под шпилем. Сейчас на крыше ансамбль из небольших куполов, а синяя роспись украшает крышу. Изнутри потолок декорирован фигурами ангелов, вырезанными из фанеры и раскрашенными акварелью в 1990-е годы прихожанами, помогавшими в восстановлении.

Территория вокруг храма обнесена кованым забором и ухожена, особенно летом.