Après saint Georges, il est le plus célèbre martyr militaire de l'Orient, d'où son nom de "mégalomartyr". Diacre à Sirmium en Dalmatie, il souffrit le martyre sous Dioclétien. Il est mentionné dans la liturgie byzantine.
Son culte fut extrêmement populaire en Orient. Le diocèse de Gap en France voulut même se l'annexer en en faisant son premier évêque. D'autres en font un martyr du premier siècle.

Saint Grégoire Palamas - Eloge de Démétrios : "Les crocs des loups au milieu desquels le Christ a envoyé son disciple Démétrios ont, par leurs morsures, ouvert en son corps des sources par lesquelles une grande allégresse s'écoule sur le troupeau du Christ."