Звичайно, імператору незабаром донесли, що проконсул Димитрій – християнин. Повертаючись з походу проти сарматів (племен, які заселяли причорноморські степи), Максиміан зупинився у Солуні. Готуючись до смерті, Димитрій роздав своє майно бідним, а сам віддався молитві і посту. Імператор посадив проконсула до в’язниці і почав розважати себе і жителів Солуні гладіаторськими битвами в цирку. Християн розшукували і затягували на арену. Відомий серед гладіаторів завзятий Лій легко перемагав християн у битві і, при тріумфуванні озвірілого натовпу, скидав їх на списи воїнів.
Один юнак на ім’я Нестор, з числа християн, відвідав Димитрія у темниці, і Димитрій благословив його на єдиноборство з Лієм. Укріплюваний Богом, Нестор переміг гордого гладіатора і кинув його на списи воїнів. Нестора повинні були нагородити, як переможця, але замість цього його стратили, як християнина.
За наказом імператора в'язнична варта вбила Димитрія списами в 306-му році. Тіло великомученика Димитрія викинули на з’їдання звірам, але солуняни таємно поховали його. Слуга Димитрія Луп взяв криваву ризу і перстень мученика і почав ними зцілювати хворих. Його теж стратили. Під час правління імператора Костянтина Великого (324-337 рр.) над могилою великомученика Димитрія побудували храм, а через сто років були знайдені його нетлінні мощі. Біля гробу великомученика Димитрія відбувалися чудеса і зцілення. Під час правління імператора Маврикія авари, які жили біля річки Дон, обложили місто Солунь. Святий Димитрій з'явився на міській стіні, і 100-тисячне військо аварів втікли від Солуні. Іншим разом святий врятував місто від голоду. Житіє святого Димитрія розповідає, що він звільняв полонених з ярма невірних і допомагав їм добратися до Солуні.
З VII-го століття мощі святого Димитрія почали мироточити. У XIV-му столітті Димитрій Хризолог писав про нього: миро "за своєю властивістю не вода, але густіше за неї і не схоже ні на одну з відомих нам речовин... Воно дивовижніше за всі пахощі не тільки штучні, але і за єством створених Богом». З цієї причини великомученика Димитрія найменовували Мироточивим.
З ім'ям святого великомученика Дмитра Солунського пов’язані, сторінки Літопису Русі-України "Повісті врем’яних літ". Зокрема згадка 907-го року коли Віщий Олег розгромив греків під Константинополем, як повідомляє літопис, "убояшися греци і рекоша: ність се Олег, но св. Димитрій послан на ни от Бога" (убоялись греки і говорили: це не Олег, але святий Дмитро посланий на нас від Бога). Русичі завжди вірили, що вони перебувають під особливим заступництвом святого великомученика Дмитра. Більше того, у староукраїнських билинах великомученика Дмитра зображують русичем за походженням – настільки цей образ зливався із душею українського народу.
Пам'ять святого Дмитрія Солунського здавен пов'язували на Україні з військовим подвигом, патріотизмом і захистом Батьківщини. Князі та вояки віддавали себе св. Дмитрові в опіку. Захисту святих потребували мандрівники і вояки, які виїжджали в дорогу або ішли на війну. Тому з давнини на Україні існують замовляння для захисту від куль та зброї, скеровані до Святого Дмитра Солунського та інших святих. Святий зображується на іконах у вигляді воїна в пернатій збруї, зі списом і мечем у руках. На сувої (у пізніших зображеннях) писали молитву, з якої святий Дмитро звертався до Бога про порятунок рідного Солуня: “Господи, не погуби град і людей. Якщо град урятуєш і людей – з ними і я врятований буду, якщо погубиш – з ними і я загину”.
Нетлінні мощі святого Димитрія Солунського спочивають в базиліці у Салоніках.
