Место прощания угличан с мощами царевича Димитрия
История храма связана с перенесением мощей царевича Димитрия из Углича в Москву в 1606 г. По преданию, на выезде из города процессия остановилась для прощания угличан с царевичем, и позднее на этом месте поставили часовню.
После разорения Углича в 1610 г. её восстановили в 1637 г., а в 1693 г. сюда перенесли деревянную церковь из Угличского кремля.
В 1729 г. вместо неё возвели каменный храм с престолами царевича Димитрия и мучеников Кирика и Иулитты.
Строительство новой каменной церкви
После пожара 1793 г., повредившего прежнюю церковь, в 1798 г. на средства угличских купцов Русиновых началось строительство нового храма.
К 1802 г. был готов тёплый придел Кирика и Иулитты, а в 1814 г. освятили основной храм. Над его живописным убранством работали местные мастера. Здание с пятиглавым четвериком, трапезной и колокольней сохранилось до настоящего времени.
В 1902 г. стоявшую рядом с храмом сторожку перестроили в кирпичную Димитриевскую часовню.
Храм в советский период
Особое место церковь заняла в церковной жизни Углича в годы советской власти. Она не закрывался и оставалась единственным действующим храмом Углича.
В мае 1941 г. сюда был назначен священник Сергий Ярославский, будущий архиепископ Кассиан. К тому времени он уже прошёл две ссылки и заключение: после ареста 1929 г. отбывал трёхлетнюю ссылку, а в 1933 г. был приговорён ещё к восьми годам лишения свободы. В Димитриевском храме он служил до 1943 г., а в начале 1961 г. вновь стал его настоятелем, незадолго до хиротонии во епископа Угличского. Впоследствии владыка Кассиан возглавлял Новосибирскую, а затем Костромскую кафедры.
В 1950–1952 гг. настоятелем церкви и благочинным Угличского округа был иеромонах Никодим (Ротов), будущий митрополит Ленинградский и Новгородский и один из заметных церковных деятелей второй половины XX в.
Кладбище при храме стало местом погребения нескольких известных представителей духовенства XX в. За алтарём похоронен протоиерей Димитрий Соколов, в 1920–1930-х гг. неоднократно подвергавшийся преследованиям и после ссылки вернувшийся в Углич ослепшим; последние годы он провёл в затворе и был известен среди прихожан своей подвижнической жизнью.
Здесь же находится могила архиепископа Николая (Муравьёва-Уральского), врача по образованию, неоднократно подвергавшегося арестам и много лет проведшего в лагерях. После освобождения он жил в Угличе, на праздники посещал Димитриевский храм и был погребён возле его алтаря в 1961 г.
В 1990 г. по собственному завещанию на этом кладбище, рядом с могилами родителей, был похоронен архиепископ Кассиан (Ярославский).
В 1986 г. под руководством Е.М. Масловой была проведена реставрация настенной живописи.
Храм в наши дни
С 1991 г. настоятелем храма стал протоиерей Владимир Бучин; в это время началось благоустройство территории и постепенное восстановление здания.
К 2014 г. его состояние потребовало уже серьёзного ремонта: грунтовые воды повредили фундамент, кровля и главы обветшали, на фасадах и иконостасе появились трещины. В 2017 г. были подготовлены документы для реставрации, после чего фундамент укрепили, заменили кровлю и главы, позолотили кресты, обновили деревянные окна, штукатурку и окраску фасадов. При выборе цветов реставраторы опирались на архивные сведения, стремясь вернуть зданию исторический облик; основные работы завершались в 2020 г.