Церковь входит в состав ансамбля Димитриевских церквей, состоящего из пятиглавого холодного храма с главным престолом во имя Димитрия Прилуцкого и теплого храма Успения Пресвятой Богородицы с колокольней. По оценкам специалистов, составлявшим учетно-охранную документацию на ансамбль Димитриевских церквей, «комплекс интересен как пример гармонического сочетания разных по характеру и времени построек, занимающих значительное место в застройке набережной реки Вологды». Участок левого берега реки Вологды, где располагается комплекс Димитриевских церквей, известен под именем «Наволок» – так издревле называли низменные прибрежные места, куда при разливах реки наносился ил. Отсюда – дополнение к названию церкви.
Основание церкви на Наволоке описано в житии Димитрия Прилуцкого. Согласно преданию, Димитрий, оказавшись в конце XIV в. в Вологде, некоторое время жил в доме мастера кожевенных дел, а затем переселился в село Выпрягово, возле которого основал обитель (ныне Спасо-Прилуцкий монастырь). После смерти преподобного хозяин дома, где он останавливался, заложил в его память часовню. Когда же Димитрий был причислен к лику святых, на этом месте возвели деревянный храм.
В 1612 г. во время Вологодского разорения церковь сгорела, о чём свидетельствует запись в писцовой книге Вологды 1627/28 года: «М[есто] церковное, что была церковь преподобн[ого] Димитрия, Прилуцкого чудотворца, а церковь сгорела в Вологодское разоренье, а земли под церковью и около церкви и места церковного в дл[ину] 43 с[ажени], попер[ег] 23 с[ажени]» (см. список с писцовой книги города Вологды, сделанный в 1629 г., с.153). Согласно Переписной книге Вологды 1646 г., ко времени ее составления церковь Димитрия Прилуцкого выстроили вновь: «Церковь преподобного Димитрия, Прилуцкого чюдотворца, древяна на каменное дело о пяти верхах, другая церковь благоверных князей Фeдора и чад его Давыда и Констянтина, Смоленских и Ярославских чюдотворцев, древяна клетцки».
Данные о времени постройки каменного холодного храма Димитрия Прилуцкого существенно расходятся между собой. В конце XIX в. историк-краевед Н.И.Суворов датировал постройку холодного Димитриевского храма временем около 1710 г. В работе начала XX в. искусствоведа Г.К.Лукомского приведены сходные данные, видимо, извлеченные из клировых ведомостей. Вслед за ними 1710 г. уже в советское время датировали создание храма и составители учетно-охранной документации на этот памятник архитектуры. Искусствоведы Г.Н.Бочаров и В.П.Выголов, основываясь на данных А.Н.Сперанского, утверждали, что холодный храм возведен ярославскими зодчими Б.Назаровым и П.Тимофеевым около 1651 г., а в 1710–1711 гг. была построена колокольня и сделан теплый придел. Однако в недавно выявленном в фондах Вологодского государственного историко-архитектурного и художественного музея-заповедника рапорте 1760 г. протопопа Стефана Иоаннова, опиравшегося на материалы храмозданных грамот и опросы причта, имеются иные сведения: «Церковь каменная преподобнаго Димитрия, Прилуцкого чудотворца, зачата строить на место деревянной в 1687, а окончена и освящена в 1698 годех» (ВГИАХМЗ. Ф.2. Оп.1. Д.73. Л.121).
6 марта 1930 г. храм был закрыт. В советское время здание церкви, признанное памятником архитектуры, не подвергалось разрушениям и перестройкам, были сохранены иконостас и фресковая роспись. В 1999 г. церкви Димитрия Прилуцкого и Успения возвращены епархии, церковная жизнь в них возрождалась в форме подворья Спасо-Прилуцкого монастыря. Новое освящение церкви состоялось 13 июля 2001 г., а в 2014 г. восстановлена самостоятельность Димитровского прихода.