Перед кончиной святой благословил на игуменство в монастыре Пахомия (в Минейной редакции «Жития» сообщается, что святой повелел свои останки бросить в болото). После его смерти монастырь наполнился благоуханием. В «Житии» указан день кончины преподобного без года. Дата, приводимая в «Описании о российских святых (конец XVII – XVIII в.), – 6900 (1392) г. – неточна, в ней не дописаны десятки и единицы; год смерти Димитрия Прилуцкого определяется на основе датировки первого посмертного чуда. Димитрий Прилуцкий был погребён в деревянном Спасском соборе Прилуцкого монастыря (ныне существующий каменный храм освящён в 1542 г.). Согласно Описной книге 1623 г., над мощами святого в нижнем храме Спасского собора была установлена деревянная рака, вначале обитая тканью, к 1675 г. обложенная серебряной позолоченной басмой. В 1882 г. над гробницей была установлена медная литая сень. Мощи Димитрия Прилуцкого никогда не вскрывались и до сих пор почивают под спудом в Спасском соборе Спасо-Прилуцкого монастыря. У гробницы святого до 1920 гг. хранились его вериги (весом 9,5 кг, ныне в епархиальном церковно-археологическом музее при монастыре). Игуменский посох Димитрия Прилуцкого находится в иконостасе нижнего храма Спасского собора Прилуцкого монастыря. В конце XIX в. в монастыре хранились также предметы, которые предание связывает с Димитрием Прилуцким: «Деревянный осьмиконечный крест, сделанный им собственноручно и водружённый при избрании им места для Спасо-Прилуцкой обители... фелонь шёлковой атласной материи, синяя с красными цветами; оплечье красноватого бархата – дар великого князя Димитрия Донского; чёрный деревянный костыль с железным наконечником, обвитый красным бархатом и золотым кружевом; деревянные чётки с перламутровыми вставками». Почитание Димитрия Прилуцкого в Спасо-Прилуцком монастыре началось вскоре после кончины преподобного – не позже 1408 г., к которому, опираясь на летописные сообщения о море в 6916 г., исследователи относят первое посмертное чудо святого – исцеление многих людей от болезни «корчеты», распространившейся по Вологодчине (по «Житию», эта эпидемия случилась через несколько лет после кончины Димитрия Прилуцкого). Второе чудо совершилось во время нападения на Вологду рати вятчан (Вологодско-Пермская летопись относит это событие к 1417 г.). Когда нападавшие грабили Димитриеву обитель, один из воинов стал снимать покров с гроба святого, но Божественной силой был сбит с ног, стукнулся об пол и лишился жизни, его похоронили в монастыре. Другие чудеса, описанные в «Житии Димитрия Прилуцкого», связаны с исцелением больных, преимущественно бесноватых и умалишённых. Свидетельство о чудесной помощи Димитрия Прилуцкого князю Константину Ивановичу Острожскому (ум. в 1539 г.), оказавшемуся в московском плену после битвы при Ведроши в 1500 г., и о почитании князем святого содержится в «Истории о великом князе Московском» князя Андрея Михайловича Курбского (первая половина 1570 гг.): «Той самый Димитрий, яже князя Константина от многолетных его вериг свободил, имиже был связан по рукам и ногам, и иссохшие ему руце прикосновением своим исцелил, яко и здесь уже князь, ехал уже в своё отечество, зело святаго о сём прославлял и почесть и любовь к нему велию имел даже до преставления своего».