Димитриевская церковь необычна по архитектуре - она двухколокольная. Западный вход храма украшен лоджией с двумя колоннами, в которой расположены входы на колокольню. Храм, его трапезная и даже апсида - двусветные. "Всходы извне ко ной церкви сделаны из мячковского камня". Храмовая часть представляет собой кубовидный двусветный объём, украшенный пилястрами, карнизами и увенчанный цилиндрическим барабаном второго яруса с куполом и главкой. На одной из колоколен местными помещиками были устроены часы с боем. На другой располагались колокола весом 21 пуд 14 фунтов, 4 пуда 35 фунтов и несколько маленьких. Главки на церкви были обшиты "белым листовым железом", крыша покрашена зелёной краской, кресты вызолочены, двери и решётки на окнах первого яруса кованые. Вокруг церкви до учреждения монастыря существовала каменная ограда. В самом храме полы были из мячковского известняка, которые в 1857 году заменили деревянными, клиросы были деревянные и выкрашены голубой краской под мрамор. Иконостас сделан искусною столярною и резною работою и покрыт весь белою, а резьба с колоннами палевою под лак краскою. Позднее колонны вызолочены, а большие сделаны под мрамор.
Царские двери насквозь резные колончатые покрыты палевою краскою (позднее вызолочены). На них святые образа Благовещения и четырёх евангелистов с живописью. Над Царскими дверьми в резном сиянии образ Спаса Нерукотворного, на коем риза и венец серебряные кованые вызолочены. На венце и ризе вставлено несколько разных мелких камней. Над Царскими дверями - Тайная Вечеря и распятие с предстоящими, живописное, на нём риза и венец серебряные. Выше оного в середине коронование Богоматери, по сторонам 12 апостолов. Вверху всего иконостаса Восстание Христово от гроба. В алтаре, над престолом, балдахин на четырёх колоннах, покрыт палевою и белою краскою, в коем над престолом образ Господа Саваофа. Завеса царских врат малиновой саржи, крест на ней палевый ... серебряной насыпью. В церкви на левой стороне образ Всех Святых, а в середине - Спасителя. Риза на нём серебряная, вызолочена, 84 пробы 1823 грамма. Рама красного дерева... Перед иконостасом среди церкви три паникадила хрустальные наборные. Одно - 12, а второе - 8 подсвечников. Лампад медных посеребрённых пред местными образами - 8 и одна опускаемая. Подсвечников медных выносных три... За правым клиросом образ Спасителя, Божией Матери и Животворящего Креста и прочих святых. На нём риза и венец серебряные 84 пробы. За левом клиросом разных святых вверху с Животворящим Крестом. На нём риза и венцы серебряные 84 пробы. На хорах потолок расписан масляными красками, колонны под оными отделаны под мрамор. Освящены приделы в 31 октября 1813 года.
Алтари приделов в длину по 5 аршин, в ширину по 6 аршин. Первый - во имя Архистратига Михаила. Второй - во имя Иоанна Крестителя. Иконостасы столярной работы с оклейкою красного дерева. В первом на Царских вратах образ Благовещения Богородицы и Архангела Гавриила. По правой стороне Царских врат образ Господа Вседержителя. Второй - Архистратига Михаила. По левую - образ Пресвятой Богородицы Утоление Печали. На северной двери изображение Ветхого Завета. Над Царскими вратами - Тайной Вечери. Во втором приделе по правую сторону образ Господа Вседержителя, Иоанна Крестителя. По левую - Пресвятой Богородицы. Над Царскими вратами Тайная Вечеря. На южных вратах Новая Благодать. Достопримечательностями Димитриевского храма являлись: святой престол в главном алтаре, все стороны которого сделаны из серебра с чеканным изображением страданий Господа нашего Иисуса Христа; чудотворная Владимирская икона Божией Матери в сребропозлащённой ризе, украшенной драгоценными камнями; Владимирская икона Божией Матери, называемая "Явленная"; икона Успения Божией Матери, украшенная сребропозлащённой ризой с жемчугом и камнями, с 24 частицами мощей различных святых; серебряный вызолоченный крест с частицами мощей различных святых, привезённый И. И. Раевским из Киева и подаренный храму.
Храм св. Димитрия Солунского был богат утварью изначально. Ещё в 1811 году в нём числилось два серебряных напрестольных креста, один из них - украшенный чернью и позолотой, с изображением Христа с предстоящими и Саваофом вверху. В 1831 году куплено было ещё два серебряных креста. В храме было три Евангелия с серебряными накладками: 1677, 1771 и 1803 гг.; три серебряных с позолотой сосуда; серебряные с позолотой ковчег, дарохранительница и ковш. Была также богатая библиотека с изданиями ХVII-ХVIII вв. - Апостол 1679 г., Устав 1695 г., Толковое Евангелие 1762 г., Триод цветной 1680 г., Октоих 1699 г., Минеи общие 1796 г., Проповеди 1760 г., Поучения 1777 г., Требник 1689 г., Ирмологии 1697 и 1794 гг. В связи с тем, что Димитриевский храм с 1 марта 1864 года стал монастырским с ежедневными богослужениями, причт его был увеличен. С этого времени штат Димитриевской церкви состоял из двух священников и двух диаконов. Настоятелем Димитриевского храма тогда был назначен о. Никандр Тимофеевич Андреев - духовный друг затворника Илариона, предсказавшего некогда священнику, что тот будет служить в Троекуровском монастыре.
В 1876 году обновлена Димитриевская церковь - в ней возобновлена стенная живопись, с западной стороны для монашествующих устроены хоры, установлены новые вызолоченные иконостасы всех трёх престолов. Кроме того, устроен вновь и освящён епископом Тамбовским Палладием I (Раевым) главный Димитриевский престол. В 1888 году в храме было проведено отопление. С 1930 года, после официального закрытия монастыря, соборный Димитриевский храм действовал как приходской ещё несколько лет. Богослужения в нём прекратились, скорее всего, после ареста и ссылки в апреле 1933 года последнего священника храма Георгия Васильевича Голубева, уроженца Тамбова. 16 мая 1933 года Георгий Голубев тройкой ОГПУ был приговорён к ссылке "без права проживания в 12 н. п. Центрально-Чернозёмной области и Уральской области сроком на 3 года". О. Георгий проживал в Вологде до 1936 года, затем в 1937 году вернулся в Троекурово, где в том же году и скончался. Похоронен на приходском кладбище.
Храмы и постройки Троекуровского монастыря примерно в начале 1940-х гг. стали цехами, складами и другими подсобными строениями предприятия по переработке плодов и ягод совхоза "15 лет Октября". Забелённые росписи и дыры в иконостасах на месте святых образов долгие годы взирали на то, как в храмах обители изготавливали и упаковывали различные косервы. В 1956 году были разобраны верхние ярусы колоколен церкви Дмитрия Солунского. Начало возрождению прославленной Троекуровской обители было положено в 1993 году, когда местные жители создали приходскую общину при Михайло-Архангельском храме, который более других сохранился на территории бывшего монастыря. В 2005 году была начата реставрация самого древнего храма Троекуровской обители - Димитриевского. В 2008 году главной заботой в Троекуровском монастыре стало продолжение ремонтно-реставрационных работ на храме св. Димитрия Солунского. К этому времени были восстановлены верхние ярусы двух колоколен, приведены в порядок кровля и фасады памятника архитектуры. 2009 год ознаменовался завершением отделочных работ внутри Димитриевского храма и устройством в нём нового иконостаса.
Из книги: Клоков А.Ю., Найдёнов А.А. "Жизнеописание затворника Илариона и история Троекуровской обители". - Липецк: Липецкое областное краеведческое общество, 2017
