Димитрий родился в семье тайных христиан: родители крестили его дома и сами научили вере. Отец был римским проконсулом и умер, когда сын стал совершеннолетним.

Император Максимиан Галерий, взойдя на престол в 305 году, поставил Димитрия на отцовское место — властителем и воеводой Фессалоникийской области. Обязанностей было две: защищать землю от врагов и истреблять христиан. Вторую Димитрий выполнять не стал — наоборот, начал искоренять языческие обычаи и обращать язычников ко Христу.

Донесли, разумеется, быстро. Возвращаясь из похода против сарматов, император остановился в Солуни. Димитрий не бежал и не оправдывался: раздал имущество бедным, а сам предался посту и молитве. Его бросили в темницу, а император тем временем развлекал город гладиаторскими боями, на которые силой выводили христиан. Гладиатор Лий легко одолевал их и под крики толпы сбрасывал на копья воинов.

Юноша Нестор пришёл к Димитрию в темницу, получил благословение — и вышел на бой. Он одолел Лия и сам сбросил его на копья. Победителя полагалось наградить, но Нестора казнили как христианина. Вскоре по приказу императора стража пронзила копьями и самого Димитрия; это произошло в 306 году.

Тело великомученика бросили на съедение зверям, но горожане тайно погребли его. Слуга Лупп взял окровавленную ризу и перстень господина и исцелял ими больных — за это казнили и его. При императоре Константине Великом над могилой построили храм, а спустя сто лет обрели нетленные мощи, у которых стали совершаться исцеления.

Солуняне считали Димитрия своим защитником. Житие рассказывает, как при императоре Маврикии он явился на городской стене — и стотысячное войско авар, осадивших Солунь, обратилось в бегство; в другой раз святой спас город от голода, а пленных выводил из неволи и помогал им добраться до дома.

С VII века от раки святого стало истекать благовонное миро — об этом писали современники, и по этой причине его назвали Мироточивым. В XIV веке Димитрий Хризолог замечал, что вещество это не вода, гуще её и не похоже ни на одно известное благовоние.

У славян Димитрий стал одним из самых почитаемых святых, а на Руси — воином-заступником. Димитриевская родительская суббота, по преданию установленная после Куликовской битвы для поминовения павших, приходится на субботу перед его памятью.