По преданию село Хмелевое было основано в 1636-37 годах как сторожевой пост на шляху Валуйки — Воронеж. Свое название село получило по обильным зарослям хмеля в лесу около села. Первыми поселенцами были выходцы из Рязанской губернии.
В 1897 году в Ново-Хмелевой Слободе (так тогда называлось село) на средства прихожан была построена теплая деревянная трехпрестольная церковь. Главный престол храма был освящен в честь великомученика Димитрия Солунского, придельные — в честь святого Николая Мирликийского и Казанской иконы Божией Матери. При храме была организована одноклассная церковно-приходская школа, столовая. В то время в храме находилась местно чтимая икона Божией Матери Владимирская.
После революции, в 1919 году храм был закрыт. В годы Великой Отечественной войны основная часть храма была разрушена. Уцелевшие стены и фундамент были разобраны в 1952 году.
В 2006 в селе была заложена новая каменная однопрестольная церковь в честь великомученика Димитрия Солунского. Уже через год были освящены и подняты главки и кресты на купол и колокольню.
В 2010 году, в день престольного праздника, храм был освящен. Новый храм получился на редкость нарядным — фасад здания выкрашен в ярко-алый цвет, вход в церковь, увенчанный фреской, обрамляют четыре колонны. Возле храма разбит парк.
