Ο ναός του Αγίου Δημητρίου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα βυζαντινά μνημεία της Θεσσαλονίκης. Βρίσκεται στην ομώνυμη οδό και είναι πεντάκλιτη βασιλική με εγκάρσιο κλίτος και με πλούσιο ζωγραφικό και μαρμάρινο διάκοσμο με περίτεχνα κιονόκρανα. Στο υπόγειο του ναού βρίσκεται ο χώρος μαρτυρίου του Αγίου. Από τα ψηφιδωτά του, ξεχωρίζει αυτό που απεικονίζει τον ίδιο τον άγιο με δύο μικρά παιδιά και ένα άλλο, που απεικονίζει τον άγιο ανάμεσα στον επίσκοπο και στον έπαρχο οι οποίοι ανακαίνισαν το ναό. Ο σημερινός ναός κτίστηκε από τον επίσκοπο Ιωάννη τον 7ο αιώνα, στα ερείπια παλαιότερου ναού.
Το σημερινό κτίσμα είναι ξυλόστεγο χωρίς θόλο και οι διαστάσεις κάτοψής του είναι 43,58μ. (μήκος) και 33 μ. (πλάτος).
Ο αρχικός μικρός ναός
Σύμφωνα με κάποιες πηγές, πρωτοχτίστηκε πάνω από ένα ρωμαϊκό λουτρό στο οποίο μαρτύρησε ο Αγιος το 303. Σύμφωνα με την παράδοση, από το σημείο όπου μαρτύρησε ο άγιος άρχισε να αναβλύζει μύρο . Το 324 που ορίστηκε ο χριστιανισμός σαν επίσημη θρησκεία του κράτους οι Θεσσαλονικείς οικοδόμησαν ένα μικρό τρίκλιτο ναό στο σημείο αυτό. Η φήμη του ναού αυτού σύνομα εξαπλώθηκε σε όλο τον χριστιανικό κόσμο διότι αποδείχτηκε ότι το μύρο είχε ιαματικές ιδιότητες. Προσκυνητές κατέφταναν από όλα τα μέρη του κόσμου για να προσευχηθούν και να θεραπευτούν. Ανάμεσα σε αυτούς προσήλθε και ο έπαρχος του Ιλλυρικού, Λεόντιος. Σύμφωνα με την παράδοση, ο Λεόντιος θεραπεύτηκε από κάποια ανίατη ασθένεια που τον ταλάνιζε και σε ένδειξη ευγνωμοσύνης προς τον Άγιο, αντικατέστησε το μικρό τρίκλιτο ναό με μια επιβλητική Βασιλική το 413 . Η Βασιλική στεκόταν εκεί μέχρι και τα χρόνια του αυτοκράτορα Ηρακλείου (610-641) και κατόπιν καταστράφηκε από φωτιά.
Τα σημαντικότερα εκθέματα του Ιερού Ναού είναι:
- Η Κρήνη αγιάσματος και μύρου, σε τρεις φάσεις (4ος, 6ος και 12ος - 13ος αιώνας)
- Αρχιτεκτονικά γλυπτά (επίκρανα, θωράκια κ.α.) της πρώτης φάσεως του ναού (5ος αιώνας).
- Θραύσματα κιβωρίου Αγίας Τράπεζας του 13ου αιώνα.
- Θραύσματα διακόσμησης ταφικού πιθανότατα μνημείου του 14ου αιώνα
- Τα ψηφιδωτά και οι τοιχογραφίες του ναού.
Στο ναό του αγίου Δημητρίου διασώζονται ελάχιστα ψηφιδωτά γιατί τα πιο πολλά καταστράφηκαν στην πυρκαγιά του 1917. Τα πιο πολλά από αυτά απεικονίζουν τον Άγιο αλλά και άλλα πρόσωπα, όπως τον Άγιο Σέργιο σε στάση προσευχής.
Περίφημη είναι η τοιχογραφία που απεικονίζει τον Ιουστινιανό τον Α΄ και την ακολουθία του και βρίσκεται στο νότιο τοίχο. Στην πρώτη δυτική τετράγωνη κολόνα βρίσκουμε άλλη μια τοιχογραφία με τον αρχιεπίσκοπο της Θεσσαλονίκης Γρηγόριο τον Παλαμά και με τον αυτοκράτορα Ιωάννη ΣΤ΄ Καντακουζηνό, που χρονολογείται από τον 8ο αιώνα.