Свято-Димитриевский храм построен в 1801 (проект арх. В. И. Баженова, строительство — арх. М. Ф. Казакова, живопись — Скотти) в центре главного корпуса больницы (coopужён в 1796— 1801 на средства, завещанные русским послом в Вене князем Д. М. Голицыным, его братом и душеприказчиком князем А. М. Голицыным). Стал усыпальницей Д. М. Голицына (надгробие работы Ф. М. Гордеева, 1799, с бюстом работы Ф. Цаунера), а затем — А. М. Голицына. Обновлялся в 1836 (с участием Д. И. Жилярди), 1901.

В классическом стиле. Храм-ротонда. Кубообразный по форме с шестиколонным дорическим портиком. Завершен огромным полусферическим куполом на сферическом барабане. Две круглые звонницы вынесены на линию главного фасада. Внутри — кольцевая ионическая колоннада из искусственного мрамора (сочетание теплого розового тона с холодным серо-зеленым). Стены прорезаны арками в высоту колонн, обрамленными двухколонными вставками малого коринфского ордера. Стены ниш отделаны двухкрасочной (светлой и темной) гризайльной росписью, создающей имитацию скульптурного рельефа. Купол (диаметр — 17,5 м) из двух частей: нижней, кессонированной, и верхней, украшенной живописью.

В 1918 закрыт. Прах Голицыных изъят из склепа, перезахоронен во дворе (местонахождение неизвестно). Надгробие перенесено в музей в Михайловском храме Донского монастыря Храм использовался как больничное служебное помещение, столовая (с 1919 Голицынская больница присоединена к 1-й Градской). Реставрировался в 1970—80-х (И. Рубен, Г. Солодкая, живопись под рук. Л. Соболевой). 22.XI. 1990 Святейший Патриарх Алексий II осветил как первый после 1917 больничный храм.

Святыни — иконы святого благоверного царевича Димитрия и преподобномученицы Великой княгини Елисаветы.

При храме в сентябре 1992 Святейший Патриарх Алексий II освятил Свято-Димитриевское медицынское училище сестер милосердия. Сестричеству во имя святого благоверного царевича Димитрия (действует при храме) передан домовый храм преподобномученицы Великой княгини Елисаветы в 23 корпусе 1 -й Градской больницы (осв. в 1998). При храме — воскресная школа, библиотека, издается приходский журнал и больничный листок. К храму приписан домовый храм святых мучениц Веры, Надежды, Любови и матери их Софии при детском доме № 27.