Според предание в с. Агатово е имало църква, която се е намирала в местността Селище. Старият храм е бил вкопан в земята. Това предполага, че е бил съграден във времето след османското завоевание на българските земи.
През 1851 г. агатовци получават разрешение за издигането на нов храм. Основите му са положени през същата година, но Търновският митрополит Панкратий възпрепятства градежа, който е завършен пет години по-късно. Възрожденската църква „Св. Димитър” е осветена през 1856 г.
През 1933 г. е завършен и строежът на камбанарията. В издигането й се включва зидарска бригада от с. Кърпачево. В начинанието участват и жителите на селото, които осигуряват строителните материали. Интересен факт е, че бигорът е доставен от с. Крушуна. Облицоването на купола с ламарина е поверено на известния майстор ковач и железар Петър Русинов, преселник в с. Агатово от с. Кърпачево.
След 1960 г. църквата постепенно започва да се руши. Външната част на храма е възстановена през 2004 г., но сградата продължава да бъде необитаема.
От запазения рисуван фриз може да се направи извода, че иконостасът най-вероятно е бил поверен на тревненски зографи. Дървените части са били богато орнаментирани.
Проучването на храмовете е част от проект „Активни граждани в селата“, който се изпълнява от сдружение "Деветашко плато" с финансова подкрепа, предоставена от Исландия, Лихтенщайн и Норвегия по линия на Финансовия механизъм на ЕИП. Основната цел е повишаване на гражданската активност и обществената осведоменост и привличане на широк кръг граждани и доброволци в процеса на развитие и оживяване на 13 български села и 4 общини.