Первые упоминания о селе и деревянном храме
С начала XVII в. село Филимоново, расположенное при речке Сотьме в 14 верстах от уездного города, принадлежало Переславскому Никитскому монастырю. Сведения о том, кем и когда именно оно было вложено в монастырь, не сохранились. По писцовым книгам 1628–1629 гг. в селе значились монастырский двор, 5 дворов крестьянских, 3 бобыльских и 3 пустых; монастырской земли насчитывалось 60 четвертей в поле, крестьянской — 50 четвертей, перелогу и леса — 100 четвертей, сенокосов — 100 копен.
Уже в начале XVII столетия в селе существовала деревянная церковь во имя святого Димитрия Солунского. Согласно писцовым книгам, храм был деревянным, в нём имелись деисусный чин, царские врата, местные иконы, облачения, богослужебные книги — всё церковное убранство являлось монастырским вкладом. В церковном владении находилось 5 четвертей пахотной земли в поле и 10 копен сенокоса. К 1653 г. приход Димитриевской церкви насчитывал уже 96 дворов.
Село и храм в конце XVII — XVIII вв.
К 1702 г. население Филимонова значительно выросло: в описи значатся монастырский двор с конным заводом, 40 дворов крестьянских, 13 бобыльских и 4 кельи нищенских. Деревянная церковь, по-прежнему освящённая во имя святого Димитрия, имела восьмигранную форму и была срублена в брус. На колокольне имелось три небольших колокола. Согласно описи, храм ничем не выделялся среди современных ему церквей. В приходе числилось 103 двора. Земельный надел включал 5 четвертей пахотной земли, 10 четвертей перелога и леса, а также 10 копен сенокоса.
Сведений о возможных перестройках деревянного храма в течение XVII–XVIII вв. не сохранилось. Известно лишь, что он просуществовал до 1809 г. По ведомости о вотчинах Никитского монастыря за 1754 г. в Филимонове числилась 181 душа мужского пола. После секуляризации 1764 г. село стало казённым.
Строительство каменного храма
В 1809 г. прихожане вместо обветшавшей деревянной церкви возвели каменный храм с колокольней. Здание представляло собой двусветный четверик, перекрытый купольным сводом с небольшой главкой. В храме устроили два престола: в холодной части — во имя святого великомученика Димитрия Солунского, в тёплом приделе — в честь Тихвинской иконы Божией Матери. На царских вратах главного храма находилось резное изображение Тайной вечери.
Церковь была достаточно снабжена утварью, ризницей, святыми иконами и богослужебными книгами. Особо чтимыми в приходе считались две иконы: Тихвинская икона Божией Матери, которая, по местному преданию, явилась на кладезе за селом, куда ежегодно 26 июня совершался крестный ход; а также икона Божией Матери «Утоли моя печали», написанная в память об избавлении села от холеры в 1848 г.
Приход в XIX — начале XX вв.
Отдельного причта при церкви не существовало: богослужения и требы отправлял причт села Филипповского. Годовое содержание священнослужителей складывалось из процентов с причтового капитала, доходов от служб и треб и поступлений от церковной земли.
Церковные документы сохранялись в целости: копии с метрических книг — с 1791 г., исповедные росписи — с 1823 г. Приход состоял из одного села Филимонова, где по клировым ведомостям числилось 198 душ мужского пола и 243 — женского, все православные.
Судьба храма в XX в. И его современное состояние
Во второй половине 1930-х гг. церковь была закрыта. В последующем здание частично разрушилось: уцелели лишь основной объём храма с алтарной частью и фрагменты стен трапезной.
В начале 2000-х гг. при поддержке Никитского мужского монастыря начались восстановительные работы.
9 июля 2018 г. в храме впервые после долгого перерыва была совершена Литургия.
В настоящее время здание продолжает восстанавливаться.