Дмитриевский как литургист и издатель важнейших памятников христианского богослужения известен не только в России, но и далеко за её пределами благодаря изысканиям в области христианской археологии и литургики (особое значение в становлении Дмитриевского как учёного сыграл его учитель в Казанской духовной академии Н.Ф. Красносельцев). Первым историко-литургическим сочинением Дмитриевского является обширная статья «Богослужение в Русской Церкви за первые пять веков» (1882 г.), написанная по поводу книги Н.Ф. Одинцова «Порядок общественного и частного богослужения в древней России до XVI в.» (СПб., 1881 г.). Дмитриевский начал статью с разбора источников и литературы, использованных Н.Ф. Одинцовым, и посчитал их подбор неудовлетворительным. По его мнению, исследователь истории православного богослужения в Русской церкви должен использовать генетический метод как «надёжный, вполне научный и самый богатый по своим результатам» (впоследствии он будет использовать этот метод исследования, который даёт возможность показать, какое отражение находят в богослужебной традиции Руси литургические памятники Греческой церкви). В этой работе Дмитриевский разделил историю русского богослужения на четыре периода (эпохи). Первый – от принятия на Руси христианства в 988 г. до смерти митрополита Киприана в 1406 г., когда, как считал Дмитриевский (в свете новейших данных ошибочно) богослужение в Русской церкви полностью зависело от богослужения византийской церкви, копируя его даже в мелочах. Второй – с 1406 г. и до Стоглавого Собора 1551 г. (в начале этого периода богослужение Русской церкви подверглось мощному южнославянскому влиянию; характерная черта эпохи XVI в. – попытка ввести в богослужебный круг множество служб в честь русских святых). Третий – с 1551 г. и до Московского Собора 1667 г., когда была осуществлена попытка унификации богослужебных чинов, но не по греческим оригинальным текстам, а, по мнению Дмитриевского, по «личному вкусу и произволу отцов Собора», рекомендовавших пользоваться чинами, известными в рукописях; с введением книгопечатания различия в чинопоследованиях были окончательно зафиксированы и распространены). Четвёртый – с 1667 г. до конца XIX в. (эта эпоха характеризуется единообразием в богослужении, которое было достигнуто благодаря книжной справе, осуществлённой патриархом Никоном и его преемниками. Далее Дмитриевский рассматривал историю славяно-русского Типикона, чины дневного богослужения, чинопоследования таинств и прочих «второстепенных последований». Особо он останавливался на характеристике богослужения во время пения Триоди Постной и Цветной, для чего использовал многие рукописи богослужебных книг. Дмитриевский отмечал (согласно новейшим исследованиям, не вполне верно) совпадение состава служб суточного круга в Студийском и Иерусалимском уставах, за исключением всенощного бдения, описал историю чина проскомидии и литургии. Эту работу продолжает исследование «Богослужение Русской Церкви в XVI в.» (Казань, 1884 г.), написанное на основе его кандидатской и позже магистерской диссертации. Оно состоит из исторического введения, характеризующего эпоху, благоприятствовавшую «оживлению в деле устройства богослужебной практики», и источников, которыми он пользовался для написания исследования. Первая глава посвящена службам суточного круга; во второй разбирается история Иерусалимского устава в XV–XVI вв. в России, его отличия от современного печатного Типикона и судьба монастырских уставов, или Обиходников; в третьей главе – история чинопоследований таинств, к ней даны 10 приложений, содержащих публикацию текста ряда рукописей. Главная задача исследования – «исчерпать, по мере возможности, все особенности богослужебных чинов... и объяснить их историческое происхождение».