К северу от римской агоры находится главная церковь города Салоники – Базилика Святого Димитрия (Church of Saint Demetrius) (местное название - Áyios Dimítrios). Эта пятинефная базилика была построена на месте разрушенной римской бани (её остатки можно заметить на северной стороне церкви). До IX века она была известна как «церковь у стадиона». Исследования, проведенные после 1917 года, подтвердили предание о том, что император Галерий заключил в тюрьму римского служащего по имени Димитрий и казнил его в 30 году. После этого Димитрий стал главным святым покровителем города, поэтому посетить его могилу приезжали паломники со всей Византийской Империи.
Первоначально церковь была построена в V веке, а при восстановлении после пожара в VII веке и большого разрушительного пожара в 1917 году, были сохранены основные особенности её архитектуры. Во время турецкого правления церковь была преобразована в мечеть.
Примечательными особенностями интерьера церкви, самого большого в Греции (длина – 43 м), являются изящно вырезанные капители античных колонн из разноцветного мрамора, огромная люстра в центральном приделе, маленькая мозаика на столбах в апсиде и большая мраморная гробница Лукаса Спантоуниса (1481 год) на северной стене нартекса.
В 1980 году мощи святого Димитрия были возвращены в Салоники из итальянского города Сан-Лоренцо-ин-Кампо, и в настоящее время они хранятся в саркофаге перед иконостасом.