Σύμφωνα με την αγιολογική παράδοση, ο Άγιος Δημήτριος μαρτύρησε επί Διοκλητιανού (284-305 μ.Χ.) όταν με την παρακίνηση του Γαλέριου, μέλους της Τετραρχίας, έλαβε χώρα ο πιο σκληρός διωγμός των Χριστιανών στη Ρωμαϊκή αυτοκρατορία. Στρατιώτες του Γαλέριου συνέλαβαν τον «μακαριότατο Δημήτριο εκ γένους των περιδόξων» με την κατηγορία ότι συμμετείχε ενεργά στις χριστιανικές συγκεντρώσεις. Ανώνυμος Συναξαριστής πληροφορεί για τη δράση του Αγίου Δημητρίου, αποδίδοντάς του τον τίτλο του «υπάτου» μεταξύ των χριστιανών της Θεσσαλονίκης. Ο Δημήτριος προσευχόταν στις συγκεντρώσεις στη Χαλκευτική στοά της Ρωμαϊκής Αγοράς της Θεσσαλονίκης και ενίσχυε τους οικονομικά ανήμπορους συμπολίτες του.
Δημώδες μεταβυζαντινό κείμενο για το «Μαρτύριον του Αγίου Ενδόξου Μεγαλομάρτυρος Δημητρίου του Μυροβλήτου» περιγράφει τη βαθιά θρησκευτική κατάνυξη που επικρατούσε στο ακροατήριο του Δημητρίου. Οι «Δημεγέρτες» πρόδωσαν τον Δημήτριο στο Γαλέριο («ότι ο Δημήτριος κρατεί εις την πίστη των χριστιανών») ο οποίος διέταξε να συλληφθεί και να κλειστεί στις υπόγειες «καμάρες» παρά του σταδίου που γειτόνευε με το δημόσιο λουτρό. Σύμφωνα με τα αγιολογικά κείμενα ο Δημήτριος κρατήθηκε έγκλειστος «περὶ τῶν καμίνων καμάρας (δημοσίου βαλανείου)», δηλαδή στα προπνιγεία του ρωμαϊκού λουτρού.
Στη φυλακή ήταν και ένας νεαρός χριστιανός ο Νέστορας , ο οποίος θα αντιμετώπιζε σε μονομαχία τον φοβερό μονομάχο της εποχής Λυαίο. Ο νεαρός χριστιανός πριν τη μονομαχία επισκέφθηκε τον Δημήτριο και ζήτησε τη βοήθειά του. Ο Άγιος Δημήτριος του έδωσε την ευχή του και το αποτέλεσμα ήταν ο Νέστορας να νικήσει το Λυαίο και να προκαλέσει την οργή του αυτοκράτορα. Αφού ο Νέστορας κατανίκησε τον Λυαίο, θανατώθηκε από τον Γαλέριο που θεώρησε την ήττα του Λυαίου ως προσωπική του ήττα. Όταν πληροφορήθηκε ότι ο Νέστορας ήταν μαθητής του Αγίου Δημητρίου, διέταξε να φέρουν τον Άγιο Δημήτριο μπροστά του για να αποκηρύξει την πίστη του. Τελικά ο Άγιος Δημήτριος, με διαταγή του Γαλέριου, θανατώθηκε στις υπόγειες φυλακές πιθανότατα το 306 μ.Χ. Μετά τον θάνατό του, πιστοί τον έθαψαν την ίδια ή την επόμενη νύχτα πρόχειρα στον ίδιο χώρο, όπου αργότερα κτίστηκε ένας «οικίσκος» που κατεδαφίσθηκε από τον Λεόντιο για την ανέγερση της βασιλικής.
Ο μαθητής του Αγίου Λούπος, με το δαχτυλίδι και τον μανδύα που πήρε από τον Άγιο κατά την ώρα του μαρτυρίου, ενεργούσε θαύματα πολλά, ώσπου στο τέλος, όταν το έμαθε ο βασιλιάς, τον αποκεφάλισαν και αυτόν. Κατ’ αυτόν τον τρόπο ετελειώθη ο Πανένδοξος Μεγαλομάρτυς, ο Πολιούχος, το μέγα της οικουμένης θαύμα, της Εκκλησίας το ωράισμα, ο πολύς τα πάντα, και θαυματουργός και Μυροβλύτης Άγιος Δημήτριος.
Ένα θαύμα του Αγίου
Ένα από τα γνωστότερα θαύματα του Αγίου Δημητρίου, από το οποίο είναι εμπνευσμένη και η εικόνα του ως καβαλάρη πάνω σε κόκκινο άλογο, έλαβε χώρα τον Οκτώβριο του 1207 έξω από τα τείχη της Θεσσαλονίκης. Ο τσάρος των Βουλγάρων Ιωαννίτζης που οι Βυζαντινοί αποκαλούσαν Σκυλογιάννη, φονεύτηκε κατά την παράδοση από τον Άγιο Δημήτριο, όταν εκείνος πολιορκούσε την Θεσσαλονίκη. Στο πρόσωπο του Αγίου Δημητρίου η Θεσσαλονίκη βλέπει πάντοτε τον προστάτη της, το στήριγμά της. (Η απελευθέρωση της πόλης από τους Τούρκους το 1912 συνέπεσε με την ημέρα της γιορτής του αγίου μας).
Δίκαια ο Άγιος Δημήτριος αποκαλείται από τον υμνωδό της Εκκλησίας « ὁ μέγας φρουρός τῆς Θεσσαλονίκης, ὁ ρύστης ἐν τοῖς κινδύνοις ὁ ἐξαίρετος, πρόμαχος ὁ κράτιστος» (Κανών δεύτερος). Σ’ έναν άλλο Κανόνα, που συνέθεσε ο Συμεών Θεσσαλονίκης, ο Άγιος Δημήτριος φέρεται να λέει στην προστατευόμενή του πατρίδα Θεσσαλονίκη: «…μη φοβοῦ οὖν πατρίς μου, ἐμέ κατέχουσα∙ τους ἐχθρούς σου γάρ πάντας πατάξω ἐν Χριστῷ και φυλάξω σε τήν τιμῶσάν με».
Σπάνια ένας άγιος έχει ταυτισθεί τόσο στενά με μία πόλη, όσο ο Άγιος Δημήτριος με τη Θεσσαλονίκη. Θεωρήθηκε ανέκαθεν από τους Έλληνες ο φρουρός της πόλης, που μαζί με το λαό αγωνίζεται εναντίον των Σλάβων, Αβάρων, Αράβων, Νορμανδών, Φράγκων, Τούρκων και άλλων βαρβάρων. Δεν είναι τυχαίο ότι ο ελληνικός στρατός απελευθέρωσε τη Θεσσαλονίκη ανήμερα της εορτής του Αγίου Δημητρίου (26 Οκτωβρίου 1912), γεγονός που θεωρήθηκε θαύμα.