Батьки, таємні християни, хрестили Димитрія і наставили у вірі. Батько його, Римський проконсул, помер, коли Димитрій досяг повноліття. Імператор Максиміан Галерій, який вступив на престол в 305 році, призначив Димитрія на місце батька володарем і воєводою Фессалонійської області. Головним обов'язком Димитрія було захищати свою область від зовнішніх ворогів, але імператор зажадав від нього також, щоб він винищував християн. Димитрій замість цього став викорінювати язичницькі звичаї, а язичників звертати до Христової віри.
Звичайно, імператору незабаром донесли, що Проконсул Димитрій – християнин. Повертаючись з походу проти сарматів (племен, що населяли причорноморські степи), Максиміан зупинився в Солуні. Готуючись до смерті, Димитрій роздав своє майно бідним, а сам віддався молитві і посту. Імператор уклав проконсула в темницю і став розважати себе і жителів Солуні гладіаторськими битвами в цирку. Християн розшукували і тягли на арену. Відомий серед гладіаторів завзятий лій легко долав лагідних християн в битві і при тріумфуванні озвірілого натовпу скидав їх на списи воїнів.
Юнак Нестор, з християн, відвідав Димитрія в темниці, і Димитрій благословив його на єдиноборство з Лієм. Укріплений Богом, Нестор здолав гордого гладіатора і кинув його на списи воїнів. Нестора мали нагородити як переможця, але натомість його стратили як християнина.
За наказом імператора темнична варта пронизала Димитрія списами в 306 році. Тіло великомученика Димитрія викинули на поживу звірам, але Солуняни таємно зрадили його землі. Слуга Димитрія Лупп взяв криваву ризу і перстень мученика і почав ними зцілювати недужих. Його теж стратили. За правління імператора Костянтина Великого (324-337 рр.) над могилою великомученика Димитрія спорудили храм, а через сто років були знайдені його нетлінні мощі. При гробі великомученика Димитрія відбувалися чудеса і зцілення. За правління імператора Маврикія авари, що жили на Дону, взяли в облогу місто Солунь. Святий Димитрій з'явився на міській стіні, і 100-тисячне військо облягали звернулося до втечі. Іншим разом Святий врятував місто від голоду. Житіє святого Димитрія оповідає, що він звільняв полонених від ярма невірних і допомагав їм досягти Солуні.
З VII століття при раку святого Димитрія почало спливати запашне і чудотворне миро, про що писали сучасники. У XIV столітті Димитрій Хризолог писав про нього: миро «по властивості своєму не вода, але гущі її і не схоже ні на одне з відомих нам речовин... Воно дивніше всіх пахощів не тільки штучних, але і по єству створених Богом». З цієї причини великомученика Димитрія назвали Мироточивим.