Επί της ομώνυμης οδού, βορείως της αρχαίας Αγοράς και του βυζαντινού Μεγαλοφόρου, πάνω στα ερείπια συγκροτήματος ρωμαϊκού λουτρού, όπου φυλακίστηκε και μαρτύρησε το 303 ο αξιωματούχος του ρωμαϊκού στρατού Δημήτριος κτίστηκε αρχικά μικρός ευκτήριος οίκος. Στα μέσα του 5ου αι. ο έπαρχος του Ιλλυρικού Λεόντιος ανήγειρε στην ίδια θέση μεγάλη βασιλική, η οποία κάηκε στο σεισμό του 620. Με τη συνδρομή του Επάρχου Λέοντα και του Επισκόπου της Θεσσαλονίκης αποκαταστάθηκε στην αρχική της μορφή η βασιλική στον τύπο της πεντάκλιτης ξυλόστεγης με εγκάρσιο κλίτος και υπερώα. Η σημερινή αναδομημένη μορφή του ναού – ο οποίος καταστράφηκε σχεδόν ολοσχερώς στην πυρκαγιά του 1917 – είναι αποτέλεσμα εκτεταμένων εργασιών αναστήλωσης που άρχισαν το 1918 και ολοκληρώθηκαν το 1948.
Στη ΒΔ γωνία υπάρχει σήμερα ο τάφος του αγίου, σε θέση που πιστεύεται ότι υπήρχε ήδη από τα παλαιοχριστιανικά χρόνια. Ο ναός αφιερωμένος στον πολιούχο άγιο της Θεσσαλονίκης είναι προσκυνηματικός, γνωστός κυρίως και για τα ψηφιδωτά σύνολα που διασώθηκαν από τη μεγάλη πυρκαγιά του 1917. Πρόκειται για ένδεκα ψηφιδωτές συνθέσεις αναθηματικού χαρακτήρα του 5ου, 7ου και 9ου αι. που διατηρούνται στους δύο πεσσούς του ιερού βήματος και στο δυτικό τοίχο του κεντρικού κλίτους.
Η σημερινή αναδομημένη μορφή του ναού – ο οποίος καταστράφηκε σχεδόν ολοσχερώς στην πυρκαγιά του 1917 – είναι αποτέλεσμα εκτεταμένων εργασιών αναστήλωσης που άρχισαν το 1918 και ολοκληρώθηκαν το 1948.