Според източниците,[1] при връщането си от поход от източната част на Империята, Максимиан спрял в Солун и поискал от Димитър да се откаже от вярата си, но никакви увещанията не помогнали. Димитър бил хвърлен в тъмница, а прочутият борец Лий предизвикал на борба осъдените християни и ги убивал, като ги хвърлял в пропаст върху копия, забити с острието нагоре. Оръженосецът на Димитър, Нестор, изпросил разрешение от господаря си да премери сили с Лий и успял да го победи, хвърляйки го в пропастта. Затова по нареждане на императора Нестор бил обезглавен, а Димитър - прободен с копие в 306 година.

За дата на смъртта на великомъченика се сочи 26 октомври. Според легендата[2], преди смъртта си Димитър предал имането си на слугата си Луп, който след смъртта на господаря си прибрал и пръстена и дрехите му, напоени с кръв, които церяли вярващите солунчани.

Мощите на светеца също били запазени и положени в сребърен ковчег, в малък каменен храм, в който също се случвали чудеса. Според преданието от мощите течало благовонно миро и затова Църквата го нарекла Свети Димитър Мироточиви. Паметници от 10 век споменават мироточивите му мощи. Днес те се съхраняват в базилика на мястото на малкия храм.
Чудотворната сила на Свети Димитър е причина той да бъде почитан като покровител на град Солун. В деня на неговата памет в Солун се стичат поклонници от цял свят, но особено много от Балканите. Частици от неговите мощи се съхраняват в манастира Ватопед, Панталеймоновския и Ксенофския манастир.

В иконографията Свети Димитър се изобразява като светец-воин. В ранните иконографски типове обикновено е представен в допоясно изображение, или в иконите от царския ред на иконостаса - седящ на трон. В тези случаи обикновено пронизва с копие или меч скорпион. След 16 век, заедно с други светци-воини, е представен като един от конниците на апокалипсиса - той язди червен кон. В тези изображения Свети Димитър убива някакъв символ на злото. В много български икони неговото копие пронизва Василий II Българоубиец или турчин. В гръцката иконография често жертвата е българският цар Калоян, в Русия - татарин - т. е. формално злото се асоциира с някой, който конкретно го олицетворява в някакъв исторически етап и среда. Православните църкви, с цел да изгладят възможните националистични тълкувания на иконографията, приемат, че жертвата на Свети Димитър е антихристът.