Σύμφωνα με τα αγιολογικά κείμενα, ο Δημήτριος έζησε και μαρτύρησε στη Θεσσαλονίκη επί Διοκλητιανού. Σημαντικό κέντρο της λατρείας του είναι η Θεσσαλονίκη, όπου τιμάται από την πρωτοχριστιανική περίοδο και έχει ανεγερθεί βασιλική προς τιμήν του. Κατά τους βυζαντινούς χρόνους τιμώταν ως θαυματουργός προστάτης της πόλης από εχθρούς πολιορκητές της και κατά την εορτή του πραγματοποιούνταν θρησκευτική και εμπορική πανήγυρις, τα Δημήτρια, που αναβίωσαν τη δεκαετία του 1960 ως πολιτιστική διοργάνωση.
Είναι ένας από τους λαοφιλέστερους αγίους της Ορθόδοξης Εκκλησίας, που εορτάζει τη μνήμη του στις 26 Οκτωβρίου.
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 (praefurnia) του ρωμαϊκού λουτρού.
Από το χώρο των φυλακών ο Δημήτριος εμψύχωσε το φίλο του Νέστορα ο οποίος αντιμετώπισε τον μονομάχο Λυαίο. 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 Δημητρίου, διέταξε να φέρουν τον Δημήτριο μπροστά του για να αποκηρύξει την πίστη του. Τελικά ο Δημήτριος, με διαταγή του Γαλέριου, θανατώθηκε στις υπόγειες φυλακές πιθανότατα το 306 μ.Χ.
Κατά την αγιολογική παράδοση, ο Άγιος Δημήτριος τάφηκε στον ίδιο χώρο όπου τον 5ο αιώνα μ.Χ. χτίστηκε μεγαλοπρεπής ναός, ο οποίος μετά από καταστροφές και αλλαγές αποτελεί το σημερινό Ιερό Ναό του Αγίου Δημητρίου.
Ο ναός του Αγίου Δημητρίου στη Θεσσαλονίκη ήταν ένα από τα σημαντικότερα προσκυνήματα στη Βυζαντινή αυτοκρατορία και η προσκύνηση του αγίου στη Θεσσαλονίκη συνεχίζεται από την πρωτοχριστιανική περίοδο έως και σήμερα. Το υπόγειο λουτρό διατηρήθηκε και διασκευάστηκε σε κρύπτη. Ο Άγιος Δημήτριος έγινε ο φύλακας και προστάτης της Θεσσαλονίκης. Το όνομα «Μυροβλύτης» του δόθηκε από το μύρο που αναβλύζει από τον τάφο του. Πολυάριθμες είναι οι απεικονίσεις του Αγίου Δημητρίου σε χειρόγραφα, φορητές εικόνες και τοιχογραφίες με σκηνές από το βίο, το μαρτύριο και τα θαύματά του.
Ο Άγιος Δημήτριος αποκαλείται και Μυροβλύτης γιατί ανέβλυζε μύρο από τον τάφο του, το οποίο ελάμβαναν οι πιστοί μέσα σε φιαλίδια κατασκευασμένα από γυαλί, πηλό ή μολύβι τα λεγόμενα κουτρούβια.