Beskedet kommer efter det att laget förlorat mot St Louis natten mot julafton, den nionde förlusten på de tolv senaste matcherna. Med mer än en tredjedel av säsongen spelad ligger Detroit, som vunnit Stanley Cup elva gånger, näst sist i östra konferensen.
Uppdraget blir 57-årige McLellans fjärde som huvudtränare efter att ha haft rollen i San Jose, Edmonton och Los Angeles.
Detroit har sex svenska spelare i sin nuvarande trupp, bland dem Lucas Raymond och Erik Gustafsson.