Храм Димитрия Ростовского заложен 31 мая 1811 года за несколько часов до кончины настоятеля схиархимандрита Макария (Брюшкова). Строительство церкви было положено благодаря усердиям статского советника Димитрия Андреевича Засецкого, который в 1805 году подал прошение императору Александру I дозволить строительство в Николо-Пешношском монастыре больничной церкви и шести келий при ней для размещения «престарелых и немощствующих монашествующих». Впоследствии вместо шести келий было предположено устроить шестнадцать. Строительство было завершено в 1829 году, 29 июня митрополит Московский и Коломенский Филарет (Дроздов) совершил освящение. Внутри храма у западной стены на втором ярусе устроено место, соединяющее кельи и церковь, чтобы немощным инокам было удобно стоять в церкви во время богослужения. Благотворитель, Димитрий Засецкий, не дожил до освящения – он скончался 20 февраля 1829 года и похоронен у алтаря храма.
В советское время, когда пространства монастыря занимал ПНИ, церковь также отвели под жильё, бетонным перекрытием разделили её на два этажа, а в алтаре прорубили дверь, расположили там ванную, уборную и комнату отдыха персонала.
Во время восстановления монастыря реставрировали и Димитровский храм. Его освящение состоялось 8 августа 2014 года. Он стал последним восстановленным храмом Николо-Пешношской обители, с этого момента все храмы монастыря действуют.
