Храмът е построен на тераса откъм северната страна на високата част на хълма Джамбаз тепе (на Трихълмието). Това го прави най-високо изградената християнска обител на територията на града. На това място в началото на XIX в. съществувала полуразрушена късносредновековна черква, посветена на св. Димитър Солунски Чудотворец. Средства за продължаването на строежа били дарени от заможните пловдивчани Иван Политоглу, Вълко и Стоян Теодорович Чалъкови, Стоян Куртович Чалъков, Искро Кесяков, Тодор Вълкович и др. Антон Камизопулос, търговец в Москва от гръцки произход, родом от Пловдив, подарил ценни църковни утвари за наредбата на олтара: украсено с обкови четвероевангелие, кандила и одежди за свещениците. Значителна помощ оказали и българите от „Кършияка“, пловдивския квартал на северния бряг на река Марица, които поради липса на свой енорийски храм се черкували в „Св. Димитър“. Немалко били парите за строеж, събрани от почти всички най-известни пловдивски занаятчийски еснафи, от съотечественици и от околните селища.

Вероятно храмът е построен от известния брациговски майстор Стою Иванов. Той издигнал представителна трикорабна псевдобазилика, чиято западна фасада е оформена от открит притвор с тържествена мраморна колонада. Колоните са масивни и завършват с тежки капители, поддържащи полукръгли арки. Над притвора е изградена емпория, отворена навътре към храма като балкон. Шест двойки каменни ко-лони разделят наоса на три кораба. Свързващите ги полукръгли арки носят масивно изградените с родопски бигор полуцилиндрични сводове. Подът е изцяло покрит с бели мраморни плочи, а в средата на централния кораб са оформени мозаечни розети от цветен камък. Най-впечатляващ е мраморният иконостас, единствен паметник от този род в нашето възрожденско изкуство. Той е създаден през 1860-1869 г. от одрински и местни каменоделци, ръководени от гръцкия художник А. Калумен. Средствата за скъпия и представителен иконостас са дарени от видния жител на енорията Иван Г. Политоглу.

Иконите от стария храм са запазени и така до нас достигат ценни средновековни образци, между които се открояват образите на св. Богородица, Иисус Христос, св. Димитър, св. Мина и други, вероятно от XV до XVIII в. По-късните възрожденски икони са живописвани от зографа Никола Одринчанин (през 1852, 1857 и 1861 г.). Забележителната голяма руска икона „Св. Антоний Велики“ е дарена от един от главните ктитори при възобновяването на храма - Антон Камизопулос. Днес от старите стенописи на черквата са запазени единствено изобразените в медальони светци между арките на колонадите в наоса.

Дворното пространство на храма „Св. Димитър“ е заобиколено с високи каменни зидове. В западната част е малкият параклис-аязмо, посветен на мъчениците св. св. Кирик и Юлита. При северната страна на притвора е строената през 80-те години на XIX в. по проект на арх. Йосиф Шнитер камбанария. Едноетажната сграда на клисарницата прилепва плътно до южния ограден зид. До параклиса, изграден върху високата подпорна стена, е старият свещенически дом.

Храмът „Св. Димитър“ е свързан с борбите на българите в Пловдив за самостоятелна българска църква по време на Възраждането. След 20-те години на XX в., след масовото изселване на гърци, храмът е предоставен за известно време за религиозните нужди на руската колония в града, създадена от имигранти след Октомврийската революция в Русия.