Мощи святого Димитрия хранились в храме, и исследователи уверены, что и при нашествии сарацин в 904 году, и при нашествии норманнов в 1185 году, несмотря на все разрушения и осквернения, произошедшие в храме, мощи святого остались нетронутыми. Новое испытание для Салоник произошло в течение захвата города латинскими крестоносцами (1204–1223). В этот период произошло разделение мощей святого Димитрия и перенос их на Запад. Часть мощей святого переносится в аббатство Сан-Лоренцо-ин-Кампо и хранится в этом храме. По прошествии веков после разных реставрационных работ, проводимых в этом итальянском храме, священные мощи были забыты.
20 июня 1520 года во время проведения очередных реставрационных работ в храме аббатства была найдена красная деревянная коробка, находившаяся в стене священного алтаря. Когда коробка была открыта, обнаружилось, что в ней находились святые мощи, а также одна свинцовая табличка, на которой было написано на латинском языке: «Здесь покоится тело святого Димитрия». Позже происходят попытки опознания данных мощей, и в 1968 году было официально признано, что они принадлежат святому великомученику Димитрию Солунскому Мироточивому.
В июне 1978 года византинист Мария Феохари после долгого научного исследования пришла к выводу, что святые мощи святого Димитрия действительно находятся в Сан-Лоренцо. Новость об обнаружении святых останков произвела глубокое впечатление на Церковь и на всех верующих, в особенности же на жителей Салоник. Поэтому тогдашний митрополит Салоник Пантелеймон II сам лично посетил аббатство Сан-Лоренцо, чтобы принять священные мощи великомученика святого Димитрия.
23 октября 1978 года в Салоники прибывает только достопочтенное чело святого Димитрия, а два года спустя, 10 апреля 1980 года, на родину были перевезены и остальные мощи святого, где их с величайшей радостью приняли верующие. С тех пор и до сегодняшнего дня мощи хранятся в священном храме святого Димитрия в прекрасном серебряном саркофаге в недавно построенном мраморном кивории и являются источником благословения не только для жителей Салоник, но и для всех смиренных паломников, которые стекаются в храм, чтобы преклониться перед святым Димитрием Мироточивым.
Почитание Димитрия Солунского в России
Церковное почитание святого великомученика Димитрия в Русской Церкви началось сразу после Крещения Руси. Русские издревле старались приобрести хоть малейшие частички от мощей, одежды, мира или даже персти от гроба святого Димитрия. Поэтому во всех древних русских монастырях и храмах среди частиц мощей различных святых почти непременно находится часть мощей или мира от святого великомученика Димитрия. Частицы мощей великомученика Димитрия, миро от них и кровь великомученика неоднократно приносились на Русь церковными иерархами в разное время. Кровь великомученика Димитрия значится среди реликвий драгоценного креста преподобной Евфросинии Полоцкой. Храмы, посвященные великомученику Димитрию, имелись (иногда несколько) почти в каждом значительном русском городе.
Великомученик Димитрий считался небесным покровителем псковского города Гдова, где ему был посвящен городской собор. Псковские летописи приписывают заступничеству святого неудачу войск Ливонского ордена при осаде Гдова в 1480 году.
В 1197 году была перенесена из Солуни во Владимир великим князем Всеволодом Юрьевичем икона святого великомученика Димитрия, написанная на гробовой доске святого, и это событие было внесено как праздник в древние святцы. Эта чудотворная икона сначала находилась в Киеве, потом во Владимире, а накануне Куликовской битвы в 1380 году была торжественно перенесена в Москву как великая святыня святым благоверным великим князем Дмитрием Донским и поставлена в Успенском соборе Московского Кремля. Ныне она находится в Третьяковской галерее. Одним из ценнейших изображений святого Димитрия является также фреска на столпе Успенского собора во Владимире, написанная преподобным Андреем Рублевым.