Nato a Tessalonica da nobili genitori cristiani, san Demetrio, secondo quanto riportano gli innografi, subì il martirio sotto il regno di Massimiliano e Diocleziano. Si racconta che nel 290 Massimiano, mentre visitava per la prima volta Tessalonica, alzò il Santo al rango di duca di Tessaglia; ma quando scoprì che Demetrio era cristiano, lo fece arrestare. Mentre permaneva a tessalonica Massimiliano indì i giochi tra lottatori, e tra i lottatori a lui preferiti c'era un certo Lieo, di origine barbarica, che per la sua notevole stazza primeggiava su tutti gli altri. Lieo si vantava delle sue capacità e per piacere ancor più a Massimiliano sfidò i cittadini di Tessalonica a gareggiare contro di lui. Tutti gli sfidanti perirono sotto i suoi colpi e vedendo questo, un giovane di nome Nestore, che conosceva Demetrio, chiese al santo la benedizione per combattere e far soccombere Lieo con una sola mano. Ricevuta la benedizione da Demetrio e portando con se il sigillo della preziosa Croce, Nestore si presentò allo stadio, e disse: "O Dio di Demetrio, aiutami!" e subito si lanciò in combattimento contro Lieo, colpendolo mortalmente al cuore. La morte di Lieo rattristò Massimiliano che quando seppe il motivo della sconfitta ordinò l'immediata uccisione di Demetrio con le lance, e per Nestore che fosse ucciso con la sua stessa spada.
A causa delle numerose guarigioni ottenute presso la tomba di Demetrio da coloro che, con fede imploravano la sua intercessione, il governatore dell'Illirico Leonzio, nel 412-413, lì dove giacevano le spoglie del santo, vi costruì una splendida chiesa così da dare lustro al santo cittadino di Tessalonica.