Храм был возведён в 1671-1673 годах стараниями священника Иоанникия на месте старой деревянной церкви, разобранной в 1645 году. Согласно грамоте царя Алексея Михайловича, для строительства использовали 100 000 кирпичей, оставшихся от возведения каменных башен земляного вала в Ярославле. В храме освятили три придела: на правой стороне алтаря, в честь Великомученика Димитрия Солунского, на левой, Великомученика Георгия Победоносца, а в паперти, девяти мучеников Кизических. Дмитриевская церковь представляет собой пример двухстолпного храма ярославского зодчества XVII века. Около 1700 года к церкви пристроили небольшую паперть. Изначально церковь имела пятиглавое завершение, но в 1830-х годах четыре боковые главы были разобраны. Тогда же с западной стороны добавили небольшое крыльцо в классицистическом стиле. Колокольня у северо-западного угла церкви выполнена в виде приземистого шатра на массивном четверике. В 1686 году храм был расписан, вероятно, выдающимся ярославским знаменщиком Дмитрием Григорьевым Плехановым. Стенопись сильно пострадала после реставрации в 1859 году артелью Е.К. Дьяконова. Тематика росписи, состоящей из 186 сюжетных клейм, ограничена сценами из Евангелия и акафиста Богородице. В куполе барабана изображён «Вседержитель», между окнами, восемь пророков, на парусах, евангелисты. На западной части паруса, «Спас на убрусе», на восточной подкупольной арке, «Ветхозаветная Троица». Своды украшены десятью композициями праздников, такими как «Рождество Богородицы», «Благовещение», «Рождество Христово», «Сретение», «Вход в Иерусалим», «Воскресение», «Богоявление» и «Преображение». Центральный западный свод содержит две композиции: «Распятие» и «Вознесение». На подпружных арках изображены 12 апостолов, по два в рост. Над капителями столпов в медальонах, шесть апостолов из числа семидесяти. На столпах в два ряда изображены мученики в обрамлении рисованных арок-киотов. Среди них на южной стороне правого столпа необычно изображён пророк Илия, сидящий на камне. Северная и южная стены разделены на шесть ярусов. Четыре верхние яруса сюжетные, пятый орнаментальный, шестой подзор. Два нижних яруса были записаны в XIX веке масляной краской. В люнетах южной стены находятся композиции «Похвала Богоматери» и «Брак в Кане Галилейской», в люнетах северной, «Сошествие Святого Духа» и «Изгнание раба с брачного пира». Во втором ярусе, 10 картин, иллюстрирующих земную жизнь Христа и притчи. В третьем и четвертом ярусах воплощена храмовая тема с 24 клеймами торжественных песнопений кондаков и икосов из Акафиста Богородице. Это единственный акафистный цикл в ярославских стенописях XVII века. На откосах окон по три медальона с полуфигурами святителей, мучеников и преподобных. В замковых арках, эмблемы Христа и ангелов. Западную стену занимает монументальная композиция Страшного Суда с выразительными фигурами «немцев», осуждённых на «муку вечную». Живопись алтаря отличается благородством стиля и совершенством пропорций. В центральной алтарной конхе, композиция «О тебе радуется», одна из лучших в ярославских фресках. Декор апсиды выполнен в двух регистрах: в верхнем, крупные фигуры святителей, в нижнем, 10 медальонов с мучениками. На откосах алтарного окна, сцена «Благовещение», на западной стене алтаря, «Отечество». Оформление жертвенника и диаконника схоже. В конхе Георгиевского придела изображена Богоматерь в образе Царицы небесной, а в конхе Дмитриевского придела, «Похвала Богоматери». В обеих апсидах изображены преподобные, напоминая о вселенской роли Русской Церкви. Среди них основатели крупнейших русских монастырей: Авраамий Ростовский, Макарий Желтоводский, Савва Звенигородский, Сергий и Никон Радонежские и другие. Житийные циклы Георгия и Димитрия ограничены четырьмя крупными композициями. В сценах пыток и истязаний святые сохраняют спокойствие и гармонию. На алтарной преграде в приделе Георгия изображена Ветхозаветная Троица, а в приделе Димитрия, деисусная композиция с апостолами. Масштаб фигур, их моделировка, проработка ликов и орнаментов, связь с архитектурой выдают мастерство художника. В 1872 году в церкви Димитрия Солунского крестили Леонида Собинова, будущего великого певца. Церковь была закрыта в 1929 году, возвращена епархии в начале 2000-х годов, сейчас в ней ведутся реставрационные работы.