Первая деревянная церковь во имя великомученика Димитрия была построена на этом месте в середине 17 века.
19 ноября 1804 года церковь была уничтожена в результате пожара.
Храм был закрыт в феврале 1930 года и предан в собственность клубу «Автодор», впоследствии — обществу ДОСААФ. Клир и активные прихожане подверглись репрессиям, несколько человек было расстреляно.
В 1935 году бывшая церковь была перестроена в стиле конструктивизма, уничтожены купола и верхние ярусы колокольни, перегорожено внутреннее пространство. После войны в здании разместился кинотеатр «Спорт». Разбитые на два этажа боковые приделы занимали мастерские ДОСААФ, магазины, кафе «Витязь», врачебный кабинет. В 1966 году фасад церкви облицовали керамической плиткой, окончательно изуродовав внешний вид здания, и уничтожили храмовые росписи, до того лишь скрытые под слоем побелки.
8 ноября 1992 года в ещё действовавшем кинотеатре проходит первое богослужение Украинской Автокефальной Православной Церкви. 20 декабря храм посетил патриарх УАПЦ Мстислав (Скрипник) (на укр.), который благословил постановления в иеродиаконы старосты общины монаха Игоря (доцент Харьковского университета Юрий Исиченко (на укр.)) — впоследствии настоятеля храма, а затем епархиального архиерея.
Храм является кафедральным собором Харьковско-Полтавской епархии УАПЦ, действующей в настоящий момент как отдельная религиозная организация.
Бывшим старостой прихода Юрием Донцовым разработаны два проекта реконструкции храма — минимальный, утверждённый Харьковским советом архитектуры и градостроительства в 1996 году, и капитальный в украинском стиле. В 2007 году новый проект реставрации предоставил выпускник ХГТУСА Владислав Моисеенко (дипломная работа). Однако ни финансовое положение прихода и всей УАПЦ(о), ни полуаварийное состояние здания не позволяют его осуществить.