Храм был заложен в 1795 году на Чулковском кладбище. Его строительство завершилось через шесть лет, и в 1801 году храм был освящён и открыт как кладбищенский и бесприходный. Изначально он предназначался для сошествия Святого Духа, но освятили его в честь великомученика Димитрия Солунского. Это произошло потому, что в день Святого Духа местные жители устраивали шумные празднования, что не устраивало православную епархию. Чтобы отделить церковный праздник от языческого, было решено перенести престольный праздник на более поздний срок. До 1808 года у храма не было настоятеля, и для проведения богослужений приглашали священника из храма Рождества Христова.

В 1820-х годах к храму добавили трапезную и колокольню в классическом стиле. В 1828 году в храме появились два придела: Рождества Иоанна Предтечи и Апостолов Петра и Павла. Позже открылась церковно-приходская школа.

Главные святыни храма включают Иерусалимский крест и ковчег с частицей мощей святого великомученика Димитрия Солунского, образ с частицей мощей святых мучеников Вифлеемских младенцев и икону-статую Николы Можайского.

Приход Димитрия Солунского был образован только в 1866 году, когда для храма выделили часть Чулковской слободы.

В советское время храм закрывался дважды: в 1924 году и с 1940 по 1946 год. До 1980-х годов храм святого великомученика Димитрия Солунского оставался одним из четырёх действующих храмов Тулы. С 1991 года здание храма охраняется государством как памятник истории и культуры регионального значения.

С 2005 года при храме работает воскресная школа для детей, где преподают клирики храма, регент церковного хора и преподаватели воскресной школы. С 2007 года действует воскресная школа для взрослых с катехизаторским уклоном.