Šv. Demetro tėvai, slapti krikščionys, savo vaiką pakrikštijo ir auklėjo krikščioniškai. Šventojo tėvas, Romos prokonsulas, mirė, kai Demetras sulaukė pilnametystės. 305 m. į sostą įžengęs imperatorius Maksimijanas Galerijus vietoj tėvo paskyrė sūnų Demetrą Tesalonikietį regiono valdytoju ir gubernatoriumi. Pagrindinė Demetro pareiga buvo ginti savo regioną nuo išorės priešų, tačiau imperatorius taip pat reikalavo, kad jis išnaikintų krikščionis. Vietoj to, Demetras ėmėsi naikinti pagonių papročių ir atversti juos į Kristaus tikėjimą.
Kaip ir reikėjo tikėtis, imperatoriui netrukus buvo pranešta, kad prokonsulas Demetras yra krikščionis. Grįždamas iš žygio prieš sarmatus (Juodosios jūros stepėse gyvenusias gentis), Maksimijanas sustojo Tesalonikuose. Ruošdamasis mirčiai, Demetras išdalijo savo turtą vargšams, o pats atsidėjo maldai ir pasninkui. Imperatorius įkalino prokonsulą požemyje ir ėmė linksminti save ir Tesalonikų gyventojus gladiatorių kovomis cirke. Krikščionys buvo sugaunami ir tempiami į areną. Tarp gladiatorių išgarsėjęs juokdarys Lėjus lengvai įveikdavo nuolankius krikščionis mūšyje ir, džiūgaujant įsiutusiai miniai, mesdavo juos ant kareivių iečių.
Jaunasis krikščionis Nestoras aplankė Demetrą kalėjime, ir Demetras palaimino jį kovoti su Lėjumi. Dievo sustiprintas Nestoras nugalėjo išdidųjį gladiatorių ir užmetė jį ant kareivių iečių. Nestoras turėjo būti apdovanotas kaip nugalėtojas, bet vietoj to jam buvo įvykdyta mirties bausmė kaip krikščioniui.
Imperatoriaus įsakymu 306 m. požemių sargybiniai šv. Demetrą perdūrė ietimis. Didžiojo kankinio Demetro kūnas buvo išmestas laukan, kad jį suėstų žvėrys, tačiau tesalonikiečiai slapta jį palaidojo. Demetro tarnas Lupas pasiėmė kruviną kankinio drabužį ir žiedą ir ėmė jais gydyti ligonius. Jam taip pat buvo įvykdyta mirties bausmė. Valdant imperatoriui Konstantinui Didžiajam (324-337 m.) virš didžiojo kankinio Demetro kapo buvo pastatyta šventykla, o po šimto metų rastos jo nesuirusios relikvijos. Prie didžiojo kankinio Demetro kapo vyko stebuklai ir išgydymai. Valdant imperatoriui Mauricijui, prie Dono gyvenę avarai apgulė Tesalonikų miestą. Šventasis Demetras pasirodė ant miesto sienos, ir 100 000 apgulėjų kariuomenė pabėgo. Kitą kartą šventasis išgelbėjo miestą nuo bado. Šventojo Demetrijaus gyvenime pasakojama, kaip jis išlaisvindavo belaisvius iš osmanų ir padėdavo jiems pasiekti Tesalonikus.
Iš VII a. iš šventojo Demetro relikvijoriaus, kaip apie tai rašė amžininkai, ėmė tekėti kvepianti ir stebuklinga mira. XIV a. Demetras Chrizologas apie tai rašė: mira „pagal savo savybes nėra vanduo, bet yra tirštesnė už jį ir nepanaši į jokią mums žinomą medžiagą... Ji nuostabesnė už visus smilkalus, ne tik dirbtinius, bet ir natūraliai Dievo sukurtus“. Dėl šios priežasties didysis kankinys Demetras buvo vadinamas Mirotočivu (tuo, iš kurio teka mira).
