Православная община в селе Теплоключенка была организована в середине XIX века. В те времена все переселенцы из России — русские и украинцы, были православными, с устойчивыми традициями своей веры. С уставом православной общины были знакомы все жители села от сознательного возраста до глубокой старости. Они были первыми регулярными прихожанами. Первые службы в селе проходили в холодной церкви (около 1864 года), в дальнейшем соорудили войлочную. Это были деревянные доски, обитые для тепла войлоком. С организацией самостоятельной Туркестанской епархии в 1871 году из села Теплоключенка была перенесена в новый уездный город походная войлочная церковь, в которой до 1876 года проходили богослужения. Эта временная церковь в 1876 году была закопана в землю во дворе построенного каракольцами каменного храма во имя Пресвятой Троицы, разрушенного при землетрясении 1889 года.

В 1884 году новый храм планировалось построить недалеко от речки по центральной улице. Об этом свидетельствует план от 1884 года, найденный в госархиве. К моменту строительства планы изменились и храм было решено построить не по центральной улице, а на небольшом холме, на возвышенности.

Сохранилась старинная фотография храма, на первом плане стоят мужчины, в скромной одежде и кожаных самошитых сапогах, с густыми бородами, как и полагалось быть православным христианам, а чуть в сторонке детский церковный хор из девочек и мальчиков с нотами в руках, в белых фартуках. В центре — священник. Ниже представлены фрагменты фотографии более хорошего качества:

На оборотной стороне фото дарственная надпись, написанная вязью: «Сотруднику по расширению св. Димитриевского храма села Теплоключенского Андрею Агапову на память от настоятеля сего храма священника Андрея Иоанновича Волкова (Войнова??)» Дата 22 октября 1913 год (дата по старому стилю, по новому 4 ноября — празднование Казанской иконы Божией Матери).

На фотографии запечатлен красавец-храм с высокой резной колокольней. В больших оконных проёмах виднеются два больших колокола. Очень хорошо виден центральный купол, застеклённый, восьмиугольный, украшенный резьбой и видно четыре небольших башенки на кровле, маленьких купола без окон, восьмигранной формы с крестами наверху. Заложенный храм был достроен в 1912 году, о чем свидетельствует деревянный брус, обнаруженный весной 2009 года во время восстановления колокольни. Надпись была сделана раскалённым железом по дереву неким Иоанном Щетининым 17 сентября 1912 года.

В 40-х годах ХХ-го века храм был отнят у общины верующих и перестроен под нужды села. Была снесена колокольня, центральный купол и все маленькие купола, в общем всё, что напоминало о православном храме. По рассказам сельчан, прихожане храма выносили старинные иконы, богослужебную утварь, книги, чтобы спасти от уничтожения или поругания и закапывали в землю, так как хранить открыто у себя в доме тоже было опасно. Что-то закапывали на территории храма, что-то у себя дома. Почти ничего из этого так и не было найдено и до сего дня.

Позже общине верующих разрешили иметь свой храм в селе и проводить там богослужения. Храм был устроен в доме по улице Пушкина, в нем и проводились многие годы службы до 1991 года.

В разное время советского периода помещение храма использовалось как сельский клуб, дом пионеров, кинотеатр, библиотека, музей. В помещении храма, где раньше проводили Богослужения, где православные сельчане молились, исповедовались, причащались Святых Христовых Таин, теперь устраивали танцы, принимали посвящение в пионерию, смотрели светские фильмы.

В 1991 году после распада СССР храм был передан общине верующих. В храм начала возвращаться евхаристическая жизнь. Из храма по ул. Пушкина перевозили все иконы, церковную утварь, книги, а сам дом, где был устроен храм, был продан.

16 февраля 2009 года был начат капитальный ремонт храма, были убраны саманные перегородки внутри храма, сделанные в советское время.

Сохранилась и старинная русская печь с момента строительства храма, немного отреставрированная, но рабочая. Несколько лет назад ее использовали как основной источник отопления в храме.

Внутреннее помещение храма приобрело первоначальный вид. Общая площадь составляет приблизительно 400 м², центральная часть храма более 200 м². Потолок в центральной части храма поддерживался четырьмя колоннами крестообразной формы. В годы закрытия храма две колонны были нарушены, в настоящее время они восстановлены путём наращивания недостающих элементов. Все внутренние стены храма были обиты дранкой и оштукатурены. Потолок по всем комнатам украшен лепкой из местного известняка. Лепка под слоем извести имеет несколько слоёв покраски, тёмно-красного цвета. Настенной росписи нигде не было обнаружено. Снаружи храм был обит досками толщиной 2 см. С южной, северной и западной сторон были сооружены 3 резных высоких крыльца. Крыша южного и северного крыльца была шатровая и держалась на толстых резных бревнах, что придавало лёгкость. Первоначальным до настоящего времени сохранилось центральное западное крыльцо, оно выходило на главную дорогу. Полностью утрачено северное крыльцо, оно было разрушено в послевоенные годы. Южное восстановлено в современном виде в 2008 году. Весь храм из местного, рубленного вручную дерева. Деревянный сруб установлен на высокую кирпичную кладку.

В том же 2009 году были отреставрированы колокольня и центральный купол храма по старинной фотографии от 1913 года

Сохранилось большое количество помянников прихожан храма, начиная с дореволюционного времени и до современных дней. Большая часть этих помянников подписаны пофамильно их владельцами. На некоторых указаны и года, когда они подавались или заполнялись. Раньше не использовались разовые записки «О здравии» и «О упокоении», а подавались помянники, заполненные прихожанами на определенный период времени, например на пост, или на 40 дней, или на одну службу. Полный список прихожан по этим помянникам можно посмотреть на этой странице

Самый старый из подписанных помянников датируется 1915 годом. Сегодня эти помянники являются частью истории храма.