Пятиглавый храм Димитрия Солунского с колокольней входит в архитектурный ансамбль Дымковской слободы, расположенной на правом берегу реки Сухоны, напротив Соборного дворища.

Церковь Димитрия Солунского была выстроена в 1700–1708 гг. рядом со старой деревянной церковью. В 1709 году после завершения внутренних работ состоялось освящение храма.

Эту церковь можно назвать памятником переходного типа от местных традиций XVII в. к формам новой эпохи. Традиционные шатровая колокольня (ранее на ней находилось 8 колоколов с общим весом 250 пудов), пятиглавие, крупный объём четверика, низкий трехапсидный алтарь как бы смешиваются с новыми элементами, такими, как два ряда кокошников «вперебежку», завершающих четверик, отсутствие обходной галереи, трапезная (правда, ещё низкая и небольшая по объему), соединяющая четверик и колокольню.

Общая строгая симметрия построения объемов сочетается здесь с богатым декоративным оформлением. Если северная сторона лишена декоративных украшений, то остальные три стороны очень нарядны: наличники окон четверика, трапезной и алтаря, отличающиеся друг от друга, создают впечатление гармонии и великолепия. Спаренные полуколонки, чудный портал в лучших традициях XVII в., пристроенное позднее южное крыльцо – все это придает церкви неповторимую оригинальность и праздничность.

На восточном фасаде, обращённом к Сухоне, под килевидным козырьком сохранился большой, пятиметровый, живописный образ Спаса Вседержителя. Над Спасителем в облаках – Господь Саваоф и Святой Дух. Пред Его ликом – два Ангела, а к ногам в молении припали святые: слева – Прокопий Устюжский, Николай Чудотворец, Варлаам Хутынский, справа – Иоанн Устюжский, Димитрий Солунский и Сергий Радонежский.

В интерьере храма на своде и окнах – барочные лепные обрамления, выполненные в XVIII веке. В алтаре и четверике сохранились 18 живописных клейм. Живопись четверика посвящена жизни и чудесам великомученика Димитрия Солунского.

Украшение храма – золочёный резной иконостас XVIII века. Он имеет все основные членения – горизонтальные раскрепованные карнизы и вертикальные колонки. В пятом ряду все колонки соединяются между собой висячими арками с гирькой посередине, которая зрительно как бы отделяет одно изображение от другого, выполняя тем самым роль разделительной колонки. Венчает иконостас резное распятие Иисуса Христа на горе Голгофе с предстоящими Богоматерью и Иоанном Богословом. На стене около распятия живопись, изображающая город Иерусалим, Бога Саваофа и четырёх Ангелов с орудиями страданий: крестом, столпом, лестницей, копьём и тростью с губкой.

Иконостас трапезной, выполненный в XIX веке, более скромен и не претендует на оригинальность: двухъярусный, столярный, крашеный, с колоннами, золочёными капителями и карнизами.

В 1859 году на пожертвования купцов Ильи Грибанова и Павла Жилина вокруг церквей Дымковской слободы была построена каменная ограда с двумя небольшими башенками на углах.

В советское время, в 1930 г., постановлением Президиума горсовета «по просьбам трудящихся» церкви Дымкова закрыли. Позднее они были переданы Великоустюгскому музею.

В 1983 –1986 гг. церковь Димитрия Солунского реставрировалась: была перекрыта кровля, проведена починка стен, отмостка, побелка стен внутри и снаружи, расчистка изразцового пояса. Шатер колокольни из-за большой посадки одной грани был разобран и выложен вновь.

В настоящее время храм доступен только для внешнего осмотра.