Il suo culto è diffusissimo, ma le notizie della sua vita sono scarne.
Fu martirizzato a Sirmio, oggi Sremska Mitrovica, nella Vojvodina serba: dove Demetrio era probabilmente un diacono, prima del V secolo. Le Chiese ortodosse gli hanno conferito l’appellativo di “Megalomartire” e lo commemorano prevalentemente al 26 ottobre.
Demetrio, imitando gli apostoli, percorreva il mondo annunciando il vangelo, e fece di Tessalonica il centro del suo apostolato. La sua predicazione era efficace, ma, divenuto noto, fu arrestato. L'imperatore Massimiano lo fece chiudere in un sotterraneo, poi, irritato per un combattimento di gladiatori di cui era stato scontento, lo fece uccidere a colpi di lancia. Il suo corpo fu recuperato dai cristiani, che lo seppellirono tra le rovine, nel luogo ove era stato ucciso. Successivamente, sul luogo fu edificata una grandiosa basilica. In altri racconti Demetrio è detto proconsole o guerriero: ciò lo rese amato dai crociati, che ne diffusero il culto.
Il culto di Demetrio in Oriente è pari a quello di san Nicola. Proclamato grande martire e protettore di Tessalonica, vi veniva festeggiato con notevole splendore.
