Средокрестие храма, в центре которого стоит престол, слегка вытянутое в поперечном направлении (11,4х8,4 м), обозначено четырьмя массивными столбами; к восточным примыкает полуциркульная апсида. Древняя алтарная преграда не сохранилась, и нынешняя создана по образцу раннехристианских рельефов, обнаруженных в ходе раскопок. Рукава трансепта с торцов, а также с восточной части имеют обходы с галереями, соединённые с низким помещением за алтарной апсидой. Внутренняя структура храма чётко выражена снаружи. Завершение центрального нефа, объединённое со средней частью нартекса, покрыто двускатной кровлей. Ярусом ниже – скаты кровель над средними боковыми нефами, основным пространством рукавов трансепта и апсидой, ещё ниже – односкатные кровли над крайними боковыми нефами и обходами трансепта. Западный фасад базилики фланкирован двумя башнями: в южной размещена лестница, ведущая на хоры, северная, не существовавшая в древности, служит колокольней. Внешние стены храма повсюду прорезаны множеством разделённых беломраморными колонками оконных проёмов. В клерестории они четырёхчастные, в средних боковых нефах – одинарные полуциркульные, в боковых стенах –  трёх-, четырёх и пятичастные (в верхнем ярусе) и двойные (в нижнем). Западный фасад украшен расположенными друг под другом пятичастным и двумя трёхчастными окнами, апсида – торжественной аркадой огромного пятичастного проёма. Мозаики исследователи датируют (В.Н. Лазарев, А. Турта) в промежутке между V и XI вв. Их стиль близок в целом к стилю искусства этого времени, сочетающему чувство античной пластики, портретной выразительности, «этюдности» письма и особую, относящуюся к миру христианских понятий вдохновенность образов, стремление к их духовной концентрации, эмоциональной сдержанности. В стилистических приемах эти мозаики отличаются мягкостью и пластичностью форм, переливающимся колоритом, приёмами «импрессионистической» кладки (особенно в ликах и в пейзаже); определённую близость в рисунке и приёмах кладки, в колорите (особенно фигура св. Димитрия в позе оранта) исследователи видят с мозаиками ротонды великомученика Георгия в Фессалонике (третья четверть V в.). К V–VI вв. исследователи относят мозаики в наосе. На западной стене первого северного нефа (значительная часть утрачена) – великомученик Димитрий в патрицианских одеждах с тавлионом (как везде на мозаиках в базилике), в облаках – полуфигура трубящего ангела (венчающего святого). На западной стене южного нефа, над входом из нартекса, – великомученик Димитрий с подводимыми к нему детьми. Святой находится на подножии, на фоне кивория, по сторонам которого два открытых дверных проёма, ладони его рук, воздетых в молении, выложены золотой смальтой, по мнению исследователей, композиция представляет сцену посвящения детей великомученику Димитрию, дети изображены на фоне пейзажа. На западной стене среднего нефа, рядом с гробницей Спандуни, – великомученик Димитрий с четырьмя клириками с четырёхугольными нимбами, характерными для донаторов (А. Турта датирует VII–VIII вв.). Над восьмой колонной находилась мозаика с изображением великомученика Димитрия с ребёнком (в настоящее время в Византийском музее в Фессалонике).