Димитриевская церковь, как можно догадаться, была построена на месте смертельного ранения последнего представителя династии Рюриковичей, царевича Димитрия. Трагедия произошла 15 мая 1591 года, и уже вскоре на этом месте появилась часовня. В 1630 году вместо разрушенной поляками и литовцами часовни построили деревянный храм Царевича Димитрия с теплой церковью Михаила Архангела. Наконец, в конце 17 века деревянный храм заменили каменным. На нижнем этаже размещалась церковь Михаила Архангела, на верхнем – Царевича Димитрия.
Здание церкви состоит из храмовой части с алтарем, трапезной и паперти, расположившихся друг за другом с востока на запад. Храмовая часть увенчана пятью луковичными главками, поставленными на высокие и стройные барабаны. С северной стороны к храму примыкает галерея, с западной стороны находится крыльцо. Над папертью возвышается шатровая колокольня. Фасады церкви украшены лопатками, поясками, рядом кокошников. Наличники окон декорированы колонками и кокошниками.
Внутренне убранство собора очень скромное и простое. Его стены расписаны фресками, которые датируются второй половиной 18 века. Особого внимания заслуживает композиция «Убиение царевича Димитрия» на западной стене храма. Алтарь расписан фресками на темы смерти и воскресения Иисуса Христа, трапезная – сюжетами о сотворении мира, грехопадении Адама и Евы, жизни первых людей.
Сегодня церковь Царевича Димитрия «на крови» является филиалом историко-художественного музея. Иногда здесь проводятся церковные службы.