13 сентября 1886 года Оренбургский 2-й гильдии купец Федор Петрович Дягтерев подал заявление в Городскую Управу, объяснив, что после смерти брата его Димитрия Дягтерева по духовному завещанию остался капитал в 5000 рублей для постройки в городе Оренбурге Храма во имя св. Димитрия Мироточивого, а потому просил «Городскую Управу, не признает ли она возможным отвести место под постройку храма во 2-й части города, в новом строении между кварталами 272 и 273.». Церковь построена в 1887-1890 годах.

В 1899 году пристроен с правой стороны придел на средства купца Максима Мокеева. В 1900 году на частные пожертвования того же купца Максима Мокеева устроен новый придел (левый).

В 1903-1904 годах построена новая каменная колокольня.

Церковь закрыта в 1938 году. Частично разрушена (снесены колокольня и завершения храма). Здание храма использовалось как кинотеатр.

В 1990 году возвращена верующим. Осенью 1990 года был освящен вновь Троицкий Придел, и начались богослужения.

21 октября 2016 года принято решение открыть Димитриевский мужской монастырь.