По одной версии, строительство первой базилики произошло при святом равноапостольном императоре Константине (306–337), возведенной над могилой святого или на месте его казни. А спустя столетие, в 412–413 гг., иллирийский вельможа Леонтий, в память об избавлении его от паралича, возводит новую величественную базилику, в проходе между руинами античных городских бань и стадионом. При строительстве этой базилики неожиданно были обретены нетленные мощи святого мученика, согласно его жития, тайно погребенные там в 306 г. фессалоникийскими христианами. Подругой версии, первая базилика, посвященная святому Димитрию, была возведена в Салониках только в V в., после перенесения туда мощей святого из Сирмии.
Рака с мощами святого Димитрия Солунского
Для драгоценных мощей возводится серебряный киворий, установленный в середине центрального нефа базилики с шестиугольным основанием и глухими стенами, куда помещается серебряная рака, с изображением лика святого. Здесь верующие поклонялись нетленным мощам и возжигали свечи. Подробное описание кивория было дано фессалоникийским архиепископом Иоанном в середине VII в., а также его изображение имелось на мозаиках северной колоннады базилики. Эти мозаики позднее были утрачены в XX в., но сохранились их акварельные зарисовки, сделанные английским архитектором У.С. Джорджем. Сам драгоценный киворий погиб в VII в.: «…занялся огнем его святой серебряный киворий… серебро, расплавленное огнем, как вода, хотя было все на полу, подобно реке» — так описывал современник жестокий пожар, случившийся в правление императора Ираклия. Сильно пострадала от огня и сама базилика, потом быстро восстановленная. После этого святая реликвия помещается в специально возведенную мраморную гробницу.
Базилика была построена в форме четырехугольника, размером 43 х 33 м, из строительных материалов более ранних построек. Она стала самой крупной церковью в Салониках. Алтарная ее часть увенчивается конхой, имеющейся только в центральном нефе, и заканчивается апсидой, не выступающей за периметр храма.
Нефы базилики разделяются колоннадой белых, зеленых и темно-красных мраморных колонн, заимствованных, вероятно, из античных построек и увенчанных различными капителями. Особенно интересны капители с листьями колючего кустарника, развивающегося по ветру, распространенный тип IV в. Фронтоны арок были украшены плитами из голубого и зеленого мрамора, с геометрическими орнаментальными вставками. Погибшие при пожаре 1917 г., их внешний вид нам остался известен лишь по рисункам, сделанным в начале XX в.