Demetrio, que era probablemente diácono, sufrió el martirio en Sirmium (la actual Mitrovic, en Serbia) en fecha desconocida. Leoncio, prefecto de Iliria, construyó en el siglo V dos iglesias en honor de san Demetrio: una en Sirmium y la otra en Tesalónica (actual Salónica, en Grecia). Alrededor del año 418, las reliquias de san Demetrio fueron depositadas en la iglesia de Tesalónica, que se convirtió desde entonces en el gran centro del culto al santo. Demetrio fue nombrado patrono y protector de la región. Los peregrinos acudían en grandes multitudes al santuario, pues de las reliquias fluía un aceite de propiedades maravillosas; por ello se dieron al santo los nombres de «Myrobletes» (hacedor de milagros) y «Megalomartyr» (gran mártir). La iglesia de Tesalónica fue incendiada en 1917.
Según una leyenda salonicense, san Demetrio, que era originario de dicha ciudad, fue arrestado por predicar el Evangelio. Sin que precediese juicio alguno, fue asesinado en los baños públicos, donde se le había encarcelado. El relato más antiguo, que no es anterior al siglo VI, afirma que fue el propio emperador Maximiniano quien, en un arrebato de cólera provocado por el hecho de que su gladiador favorito había sido vencido por el inexperto Néstor, dio la orden de asesinar al mártir. Otros relatos posteriores hacen del diácono de Sirmium (si es que fue diácono) un procónsul y un santo guerrero, cuya fama como tal sólo cede a la de san Jorge. Los cruzados, que consideraban como patronos a los dos santos, pretendían haberlos visto luchar a su lado en la batalla de Antioquía de 1098, junto con san Mercurio. El san Demetrio de la leyenda popular es una figura puramente imaginaria. Como sucedió en los casos de san Procopio, san Menas, san Mercurio y otros, la imaginación popular transformó gradualmente a un mártir genuino, de cuya vida se sabía muy poco, en un guerrero de Cristo y en un mártir militar, e hizo de él el patrono y modelo de los soldados y de los caballeros. La fiesta de san Demetrio se celebra con gran solemnidad en todo el Oriente el 26 de octubre, y su nombre figura en la preparación de la liturgia eucarística bizantina.
En Acta Sanctorum, oct., vol. IV, hay un excelente artículo sobre san Demetrio, en el que pueden verse los textos griegos de las dos principales recensiones de las actas. El P. Delehaye (Legendes grecques des saints militaires, 1909, pp. 103-109 y 259-263) hizo una revisión crítica de la recensión más antigua. Dicho autor hace notar que el nombre de San Demetrio figura en el Breviarium sirio y que se le relaciona con Sirmium en una época anterior a la construcción de la gran basílica de Salónica. El culto de san Demetrio se popularizó en Ravena antes que en el resto de Italia, debido sin duda a la influencia de Bizancio; la más antigua capilla de Ravena estaba dedicada al santo. El nombre de Dernetrio (Dimitry) es muy popular entre los eslavos.