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 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 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 зціляти 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 століття мощі святого Димитрія почали мироточити. У XIV 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 штучних, але і за єством створених Богом». З цієї причини великомученика Димитрія найменовували Мироточивим.