Один из самых древних среди всех сохранившихся храмов византийского времени, храм св. Димитрия был отстроен в своем первоначальном виде еще в 313 г. В V в. эпарх Леонтий выстроил на том же месте большую базилику, которая погибла от пожара  около 626 г., но почти сразу же была восстановлена в еще более расширенном виде.

После падения Империи и захвата турками Салоник храм был обращен в мечеть (1493 г.). Во время греческого освободительного движения храм был вновь возвращен Православной Церкви (1912).

 В 1917 г. храм сильно пострадал от пожара  и был восстановлен только в 1949 г. В подземной части (крипте) храма была расположена выставка тех древностей, которые сохранились от пожара или были обнаружены во время раскопок. Многие мозаики и настенные росписи сохранились в своем первоначальном виде, вызывая у посетителей восхищение своей сдержанной гармонией и одухотворенностью ликов.

В основной части храма регулярно совершается христианское богослужение.

Для православных христиан большое значение имеет то, что здесь хранятся, кроме всех прочих святынь, мощи святого мученика Димитрия, служащие объектом поклонения для христиан всего мира. Святой мученик Димитрий жил в конце III в., занимая важный пост в римской армии. Обратившись в христианство, он открыто исповедал свою веру, и был казнен римскими властями в 303 г. Древние жития святого Димитрия повествуют о множестве чудес, происшедших как во время, так и после его смерти, в том числе – и о многих исцелениях, проистекших от его мощей. В настоящее время Святой Димитрий считается Покровителем Салоник, и очень чтим как жителями города, так и всеми православными христианами, приезжающими подчас из другого конца мира, чтобы поклониться его мощам. В храме также находится и чудотворный источник, который, по преданию, забил на месте мученической кончины святого Димитрия.