Село Кандабулак было основано в 1737 году по указу императрицы Анны Иоанновны, который предписывал переселение калмыков к востоку от Волги для выполнения пограничной службы на восточных рубежах. Надзор за исполнением указа осуществлял В. Н. Татищев.

Позже в селе начали селиться ссыльные воины, которые в 1781 году построили деревянную церковь в честь великомученика Дмитрия Солунского, покровителя воинов.

В 1896 году было решено построить новую каменную церковь вместимостью до 1500 человек. Проект разработал епархиальный архитектор Хвилинский, который также контролировал строительство.

Церковь была освящена в честь Святой Троицы в мае 1906 года и имела два придела, в честь великомученика Дмитрия Солунского и Николая Чудотворца. Старая деревянная церковь была разобрана и продана в село Орловку.

В 1930-е годы церковь закрыли и пытались разрушить, но она устояла. Разобрали только колокольню, использовав кирпичи для строительства школы в Сергиевске, а позже ураганом был снесен купол.

Долгое время церковь служила складом. В 1990-х годах она была возвращена верующим, которые начали ее восстанавливать. 5 ноября 1997 года в разрушенной церкви Дмитрия Солунского прошло первое богослужение за несколько десятилетий в честь приближающегося престольного праздника.

В конце 2000-х годов на церкви вновь установили купола, и 26 декабря 2000 года состоялась торжественная литургия, посвященная ее второму рождению. Реставрационные работы продолжаются.