Первое упоминание о сельце Тёсово (ныне — Большое Тёсово) относится к XVII веку, а уже в начале следующего столетия здесь был построен храм Дмитрия Солунского. Спустя короткое время к нему был пристроен придел, освященный во имя Архангела Михаила.
До революции 1917 года владельцами села являлись представители рода Камыниных (по другой информации, незадолго до революционных событий права на село были переданы купцам братьям Шторм). В начале XIX века прапорщиком В. Д. Камыниным была возведена новая церковь (на месте прежней). Стиль здания можно охарактеризовать как классицизм.
В советский период храм был не только закрыт, но и разрушен. Территория, на которой раньше находилась церковь, была отдана дачному поселку. Причем в первые годы советской власти церковь еще существовала: в местной газете была опубликована гневная заметка о том, что учительницы сельской школы во время церковного поста водят учеников в храм на причастие. Очевидно, заметка сыграла свою роль в том, что вскоре подобная практика была прекращена.
Только в середине 90-х годов XX началось восстановление разрушенной Дмитриевской церкви, происходило это на средства благотворителей. Сначала домовая церковь была обустроена в бывшем здании церковной сторожки, параллельно восстанавливалось основное здание храма.
В настоящее время восстановительные работы завершены, Дмитриевская церковь вновь стала действующей, при ней функционирует воскресная школа. Сегодня храм является одной из основных достопримечательностей села Большое Тёсово.