Упоминание о храме встречается в «Топографическом описании Курской губернии» 1784 года, где говорится: «в этом селе церковь деревянная во имя святого великомученика Димитрия Солунского, при которой пять дворов священно- и церковнослужителей, всего 15 душ». В клировой ведомости 1837 года указано, что деревянное здание церкви с железной колокольней было построено в 1782 году, хотя наличие метрических книг за 1775 год в госархиве может указывать на более раннюю дату постройки.

Церковь владела землями: усадебной, 3 десятины, пашенной и сенокосной, 66 десятин. В храме служили два священника: Никита Яковлевич Харланов и Стефан Иванович Олёхин. Прихожанами были однодворцы из села Чёрный Олёх: 319 мужчин и 331 женщина (58 дворов); деревни Будищи: 533 мужчины и 498 женщин (88 дворов); деревни Осипова Лука: 157 мужчин и 150 женщин (28 дворов). Раскольников беспоповского толка насчитывалось 30 человек.

В 1857 году усилиями прихожан было построено новое здание церкви, названное Димитриевской. К приходу относились деревни Осипова Лука и Будищи. В 1908 году православных прихожан насчитывалось 1300 человек, раскольников и сектантов, 170. В клировой ведомости 1916 года указано, что церковь владела 3 десятинами усадебной земли, 83 десятинами и 2160 квадратных саженей пахотной земли, 6 десятинами сенокосной земли, которой пользовались совместно с крестьянами. Качество земли оценивалось как среднее, а доход от неё составлял 400 рублей.

Здание церкви было деревянным на каменном фундаменте, с колокольней, выполненной в том же стиле. В церкви был один престол во имя святого великомученика Димитрия Солунского. В 1914 году началось строительство каменной церкви.

В 1916 году в селе Чёрный Олёх насчитывалось 151 дом, в которых проживали 594 мужчины и 525 женщин; в деревне Осипова Лука было 58 домов с 250 мужчинами и 235 женщинами; в деревне Будищи, 228 домов, 784 мужчины и 747 женщин. Всего в приходе было 437 домов, 1628 мужчин и 1507 женщин, из них духовных лиц, 5 мужчин и 15 женщин (3 дома); крестьян, 1623 мужчины и 1492 женщины (434 дома); раскольников, 79 мужчин и 74 женщины (38 хозяйств); сектантов, 1 мужчина и 3 женщины.

В приходе работали три земские школы, одна из которых в селе Чёрный Олёх была преобразована в 1913 году в двухклассное образцовое училище. С 1911 года священником Дмитриевской церкви был Яков Иванович Соколовский, 28 лет, который также преподавал закон Божий в училище. В церковной библиотеке хранился 51 том духовной литературы. Ближайшими к Дмитриевской церкви были Троицкая церковь в селе Воробжи и Михаило-Архангельская церковь в селе Козырёвка, обе в трёх верстах.

После принятия в 1918 году декрета СНК РСФСР «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» Димитриевская церковь продолжила свою деятельность.

В «Описи церкви и церковной утвари Димитриевской церкви села Чёрный Олёх», составленной в декабре 1920 года, указано, что церковь деревянная, покрыта железом, стоит на каменном фундаменте, имеет 4 медных колокола, деревянный позолоченный иконостас и 100 икон различного размера (из них 35 ветхих), 8 крестов на престол (2 серебряных, 1 медный, 5 жестяных) и другое церковное имущество.

Во время оккупации в годы Великой Отечественной войны богослужения возобновились в церковной сторожке. 26 октября 1944 года в селе Чёрный Олёх был зарегистрирован молитвенный дом, который в 1950-х годах располагался в арендованном помещении. В «Общем списке приходов и церквей Курской епархии» на 1 января 1960 года упоминается Димитриевский храм села Чёрный Олёх. В последующие годы церковь оставалась действующей. В соответствии с законом РСФСР «О свободе вероисповедания» от 25 октября 1990 года был зарегистрирован православный приход Димитрия Солунского в селе Чёрный Олёх (5 июня 1991 года, № 69). В соответствии с Федеральным законом «О свободе совести и о религиозных объединениях» от 26 сентября 1997 года регистрация религиозной организации православного прихода Димитрия Солунского в селе Чёрный Олёх была возобновлена (7 декабря 1999 года, № 177р).