Родители, тайные христиане, крестили Димитрия и наставили в вере. Отец его, римский проконсул, умер, когда Димитрий достиг совершеннолетия. Император Максимиан Галерий, вступивший на престол в 305 году, назначил Димитрия на место отца властителем и воеводой Фессалонийской области. Главной обязанностью Димитрия было защищать свою область от внешних врагов, но император потребовал от него также, чтобы он истреблял христиан. Димитрий вместо этого стал искоренять языческие обычаи, а язычников обращать к Христовой вере.

Конечно, императору вскоре донесли, что проконсул Димитрий – христианин. Возвращаясь из похода против сарматов (племен, населявших причерноморские степи), Максимиан остановился в Солуни. Готовясь к смерти, Димитрий раздал свое имущество бедным, а сам предался молитве и посту. Император заключил проконсула в темницу и стал развлекать себя и жителей Солуни гладиаторскими сражениями в цирке. Христиан разыскивали и тащили на арену. Известный среди гладиаторов задорный Лий легко одолевал кротких христиан в сражении и при ликовании озверевшей толпы сбрасывал их на копья воинов.

Юноша Нестор, из христиан, навестил Димитрия в темнице, и Димитрий благословил его на единоборство с Лием. Укрепляемый Богом, Нестор одолел гордого гладиатора и бросил его на копья воинов. Нестора должны были наградить как победителя, но вместо этого его казнили как христианина.

По приказу императора темничная стража пронзила Димитрия копьями в 306 году. Тело великомученика Димитрия выбросили на съедение зверям, но солуняне тайно предали его земле. Слуга Димитрия Лупп взял кровавую ризу и перстень мученика и начал ими исцелять недужных. Его тоже казнили. В правление императора Константина Великого (324–337 гг.) над могилой великомученика Димитрия воздвигли храм, а через сто лет были обретены его нетленные мощи. При гробе великомученика Димитрия совершались чудеса и исцеления. В правление императора Маврикия авары, жившие на Дону, осадили город Солунь. Святой Димитрий явился на городской стене, и 100-тысячное войско осаждавших обратилось в бегство. В другой раз святой спас город от голода. Житие святого Димитрия повествует, что он освобождал пленных от ига неверных и помогал им достигнуть Солуни.

С VII века при раке святого Димитрия начало истекать благовонное и чудотворное миро, о чем писали современники. В XIV веке Димитрий Хризолог писал о нем: миро «по свойству своему не вода, но гуще ее и не похоже ни на одно из известных нам веществ... Оно удивительнее всех благовоний не только искусственных, но и по естеству созданных Богом». По этой причине великомученика Димитрия наименовали Мироточивым.