Храм построен тщанием Симбирского почетного горожанина Андрея Корниловича Щербакова и особенно попечением его сына Алексея Андреевича. Существует версия, что у владельца картонной фабрики Щербакова в возрасте 14 лет умер сын Дмитрий, в память о котором была построена и именована церковь. Предполагается, что именно отец Щербаков захоронен на территории церкви как почетный прихожанин, внесший большой вклад в создание божьего храма. Здесь при восстановительных работах был обнаружен склеп с гробом.

Дмитриевская церковь снаружи внизу была расписана стенной живописью художником Рукавишниковым, роспись внутренних стен церкви принадлежала мастерству руки Полежаеву и мастеру иконостасных дел Дубову.

Существуют сведения, что при Дмитриевской церкви была большая библиотека и церковноприходская школа, построенная на пожертвования.

Согласно другой версии, строительство церкви связано с памятью князя Дмитрия в честь 500-летия Куликовской битвы, так как дата начала строительства совпадает с датой Куликовского сражения и князь Дмитрий носил имя Великомученика Димитрия Солунского.

В 1865 году храм заложен почетным гражданином Симбирска Андреем Корниловичем Щербаковым. В 1875 году церковь построена Алексеем Андреевичем Щербаковым. 10 июля 1875 года храм освящен. В 1888 году церковь расписана художниками Рукавишниковым и Полетаевым. Иконостас выполнен художником Дубовым. В 1898 году поновлена роспись снаружи храма.

В советское время церковь закрыли. В 1932-1988 годах богослужения в церкви не проводились. Храм использовался как склад.

7 ноября 1988 года церковь восстановлена и вновь открыта для богослужения.