Церковь Димитрия на крови возвышается на месте трагической гибели младшего сына царя Ивана Грозного и его невенчанной жены Марии Нагой. Первым памятным сооружением здесь стала небольшая часовня. Ее установили после гибели царевича, но она простояла до захвата города поляками в 1611 году. Спустя 19 лет на ее месте возник деревянный шатровый храм царевича Димитрия и рядом с ним церковь Михаила Архангела. Внутри сооружения находилась гробница, находящаяся на том месте, где пролилась кровь царевича. Согласно старинным преданиям, в каждую годовщину смерти малолетнего сына Ивана Грозного из песка проступали капли крови. Побывавший в Угличе в 1654 году царь Алексей Михайлович Романов смог наблюдать необъяснимое чудо и, пораженный увиденным, пожертвовал крест на икону для храма.
В 1692 году деревянный шатровый храм заменил каменный. В его нижнем этаже находилась церковь Михаила Архангела, а верхнем - царевича Димитрия, декорированная в стиле той эпохи. Интерьеры сооружения были расписаны в 1778 году Петром Хлебниковым. Росписи изображали сцены из библейских сказаний о сотворении мира, грехопадении первых людей и последовавшего изгнания их из рая. В трапезной храма до нынешних времен сохранилась кованая дверь, изготовленная в 17 столетии. Пол помещения покрыт чугунными плитами, которые были здесь размещены в 18 веке.
Композиция на тему трагических угличских событий в мае 1591 года занимает западную часть храма. Рядом расположены раритеты, связанные с гибелью царевича, среди которых находятся рака и носилы, в которых мощи Димитрия в 1606 году переносились в Москву из Углича. В иконостасе находится икона Богоматери Смоленской, которую царь Михаил Федорович Романов пожертвовал в 1630 году первой деревянной церкви.
В храме хранится ссыльный колокол, возвестивший 15 мая 1591 году о гибели царевича. Его, призвавшего к бунту горожан против московского правителя Бориса Годунова, сбросили с колокольни, отрубили ухо и сослали в Тобольск. На протяжении длительного времени горожане пытались вернуть колокол на его прежнее место. Лишь через три столетия его удалось вернуть в Углич. Его доставили на пароходе в начале лета 1892 года. На пристани, куда причалило судно, ссыльный колокол встречали горожане. Теперь в церкви Димитрия "на крови" находится филиал Угличского историко-архитектруного музея.