Църквата е втората по големина в страната ни, след храм паметника Св. Александър Невски. На 6 декември 1868 година тук за пръв път се служило тържествено от български архиерей на български език. Оттогава храмът става катедра на видинския български митрополит Антим, който след четири години е избран за пръв български екзарх.

Средствата за постройката са събирани от капиталите на еснафите и доброволни помощи от граждани. На 10 март 1885 година тържествено е положен основният камък на новия храм. Планът му е изработен от арх. Бахнани. На 26 октомври 1890, в деня на храмовия празник, е бил положен Св. Антимис и отслужена първа литургия.

Катедралната църква Св. Велико Мъченик Димитър има кръстокуполен план с три надлъжни и един напречен кораб, върху който се изгражда богата многообемна композиция. Централният купол се носи от четири свободно стоящи подпори и е подчертан в обемно-пространствения й облик. Вътрешните пространства са внушителни. Височината на централния купол е 33 метра. Постигнат е богат и пищен образ. Църквата е паметник на културата от национално значение.