Rođen je oko 270. kao sin visokog vojnog časnika. Đakon sirmijskog biskupa mučenika Ireneja, za Dioklecijanova progonstva osuđen je na smrt, mučen i pogubljen na jednom od savskih mostova oko 304. zbog čuvanja svetih knjiga. Najpoznatiji je od takozvanih srijemskih mučenika. Na mjestu pogubljenja izvan zidina Sirmija bila mu je podignuta bazilika. Kad je hunski kralj Atila 441. razorio Sirmij, relikvije su mu prenesene u Solun, u kojem je postao domaći svetac, a njegova bazilika (V. stoljeće) sjedište štovanja za sav kršćanski Istok.

Njegov kult jako je raširen na Istoku, posebno kod Grka i pravoslavnih Slavena, ali i kod Hrvata. Po njemu je ime dobio i veliki hrvatski kralj Dmitar Zvonimir, pa danas svoj imendan slave i Zvonimiri i Zvonke.

U srednjem vijeku bio je omiljeni zaštitnik vojnika, vitezova i križara. Sačuvano je 20 svečanih govora koje su o njemu izrekli visoki crkveni dostojanstvenici. Antički Sirmium, u IV. stoljeću, politička i crkvena metropola rimske Panonije, nazvan je 1180. po crkvi Sv. Demetrija Civitas Sancti Demetrii, potom Dmitrovica, pa Mitrovica i na kraju Srijemska (Sremska) Mitrovica.

Stoga je Sv. Demetrije zaštitnik Srijemske Mitrovice, grada, župe i Srijemske biskupije. Zaštitnik je i Soluna, Beograda te mnogih drugih naselja, biskupija, župa, crkava i kapela diljem kršćanskog svijeta i u hrvatskim krajevima.