Demetrio nació el año 270, él provenía de una familia noble de la provincia romana de Macedonia. A través de esta noble ascendencia y de su propia habilidad y virtud, ascendió a una alta posición militar bajo Galerio Maximiano, César de la parte oriental del Imperio Romano (con Diocleciano como el Augusto). A pesar de esta posición en el imperio aún pagano, permaneció ferviente en la fe y en las obras por Cristo, animando a muchos cristianos a aguantar en la persecución e incluso llevando a muchos paganos a la fe.
Cuando Maximiano regresó de una de sus campañas a Thesalónica, que había convertido en su capital, hizo que se celebraran juegos y sacrificios paganos por su triunfo. Demetrio fue denunciado por los paganos que envidiaban su éxito, y fue arrojado a la cárcel. Mientras estaba en prisión fue visitado por un joven cristiano llamado Néstor, quien le pidió la bendición de participar en un combate singular con el gigante Liao (o Lioneus), que se hacía pasar por el campeón del paganismo. Demetrio le dio su bendición y Néstor, contra todo pronóstico, mató a su oponente en la arena, tal cual como David quien derroto a Goliat.
El enfurecido emperador, al saber que esto había ocurrido con la ayuda de Demetrio, primero hizo decapitar a Néstor fuera de la ciudad y luego hizo empalar a Demetrio en la prisión el año 306. Más tarde, el sirviente de Demetrio, Lupus, fue decapitado después de usar la túnica manchada de sangre de su amo y el anillo del sello para hacer muchos milagros. Los cristianos enterraron a Demetrio y a Néstor juntos en el baño donde Demetrio había sido encarcelado. Durante el siglo VII se encontró un milagroso flujo de mirra fragante que emanaba de su tumba, dando lugar a la denominación de Mirovlitis, el Exudámirra a su nombre. Su tumba que contiene sus reliquias está ahora en la cripta de la Iglesia de San Demetrio en Thesalónica.
La extrema popularidad de San Demetrio se comienza a atestiguar por primera vez en el siglo VI. Creció gracias a sus milagrosas intervenciones en defensa de la ciudad de Thesalónica durante los numerosos asedios que sufrió durante la Alta Edad Media, en particular por los miembros de las tribus eslavas que invadieron las antiguas provincias de Hellas y Macedonia durante los siglos VI a VIII.
Está representado en iconografía temprana con vestimenta aristocrática civil del Imperio Romano tardío, y en la iconografía posterior como un soldado bizantino. Probablemente debido a su protección militar de Thesalonica, también, a menudo es emparejado con San Jorge de Capadocia por su roles similares.
