Исторические документы показывают, что в 1762 году, когда началось заселение заволжских степей, Сухая Вязовка и Берёзовый Гай были небольшими деревнями с 15-20 дворами. Однако спустя двадцать лет началось массовое заселение региона. К 1859 году число дворов в Сухой Вязовке увеличилось до 220, а затем до 561.

В 1825 году в Сухой Вязовке была построена каменная однопрестольная церковь. Здание выполнено из красного кирпича на белокаменном цоколе и имеет корабельное планировочное решение. Архитектурный объём включает колокольню, трапезную, четверик храма, полукруглую аспиду алтаря и боковые приделы. Храм восьмистолпный, а четверик венчается восьмигранным световым барабаном с поскатным покрытием, завершающимся луковичной главкой на кирпичной шейке и металлическим крестом.

Трёхъярусная колокольня также имеет поскатное покрытие и завершается меньшей луковичной главкой и крестом. Карнизы выполнены из белого камня. Фасады здания имеют вертикальное членение спаренными пилястрами и горизонтальное членение карнизными поясками. Оконные проёмы с полуциркульными перемычками украшены широкими архивольтами.

Церковь освятили в честь великомученика Димитрия Солунского. В 1896 году храм расширили, и его площадь составила 423,5 кв. метра.

Указом Святого Синода от 4 марта 1885 года было предусмотрено наличие священника, диакона и псаломщика. Также при церкви всегда был звонарь, который не только звал на службы, но и помогал звоном заблудившимся путникам в зимнюю стужу.

При церкви была библиотека, земское училище, основанное в 1862 году, и церковная школа грамоты, открытая в 1891 году.

После Октябрьской революции 1917 года в селе появился ревком, который активно занялся коллективизацией. В 1929 году были созданы первые колхозы: пять в Сухой Вязовке и четыре в Берёзовом Гае.

В 1925 году по решению властей церковь закрыли. Священника отца Александра арестовали чекисты из Чапаевска, и больше о нём ничего не было известно. Говорят, что его семья жила в бедности, а сам он носил латаную рясу. Репрессии коснулись и его семьи.

С 1960 по 1990 год в здании церкви размещался склад зерна.

Местные жители помнят, что в церкви были старинные иконы, многие из которых были уничтожены большевиками. Однако некоторые иконы удалось спасти, и теперь их возвращают храму потомки прихожан.

В январе 2007 года специалисты министерства культуры Самарской области провели технический осмотр храма. В акте указали, что многочисленные трещины в стенах и перекрытиях свидетельствуют о неравномерных просадках здания, а под трапезной нарушена целостность фундамента. Также были отмечены наклонные трещины в кирпичной кладке и необходимость ремонта крыши из-за высолов на штукатурке. Отсутствие покрытий над выступающими элементами фасадов привело к разрушению кирпича.

На данный момент большинство запланированных ремонтно-реставрационных работ выполнено.