В 1630 г. мастера Оружейной палаты Гаврила Овдокимов «со товарищи» для мощей Димитрия Иоанновича в Архангельском соборе изготовили среброкованную раку с рельефным ростовым изображением святого. Работа над ней была составной частью церковно-правительственной программы создания художественных серебряных гробниц для наиболее почитаемых русских святых. Частицы мощей Димитрия Иоанновича помещались в отдельных реликвариях, в частности, в сохранившемся кресте-мощевике (предположительно нательный крест царевича Иоанна Алексеевича 1660 гг.). По свидетельству Пискарёвского летописца, «крест злат с мощьми и с камением драгим сына своего благоверного царевича Дмитрея Ивановича Углецкого» отдала в 1603 г. царица-инокиня Марфа обманувшему её Отрепьеву. Во время занятия Москвы французскими войсками в 1812 г. мощи Димитрия Иоанновича были выброшены из раки и найдены при ней священником московского в честь Вознесения Господня женского монастыря Иоанном Вениаминовым. Чтобы сохранить святыню, он завернул её в пелену и спрятал над царскими вратами, в нижнем ярусе иконостаса монастырского собора (по другим данным, на хорах второго яруса), откуда они спустя несколько лет были возвращены в раку в Архангельском соборе, где почивают в настоящее время. В заключительной части первого «Жития Димитрия Иоанновича» помещена просьба к святому защитить страну «от междоусобныя брани», установить между... русскими людьми «мир и любовь», чтобы «в повиновении всем быти» законному царю – Василию Шуйскому. Видимо, «Житие» писалось в обстановке начавшейся летом 1606 г. гражданской войны, в которой сторонникам Василия Шуйского противостояли сторонники якобы спасшегося «царя Дмитрия». К заступничеству святого обратились во время осады Москвы войсками Ивана Болотникова. 2 декабря 1606 г. перед решающей битвой был совершён молебен у гробницы Димитрия Иоанновича, воинов окропили святой водой, покров с гробницы был принесён к Калужским воротам, через которые выходило в поле войско. Победу связывали с чудесной помощью святого. По свидетельству царя Алексея Михайловича, явившиеся ему во сне святые князья Борис и Глеб повелели переименовать крепость Кокенгаузен (Кукенойс, современный Кокнесе) на Западной Двине, взятую русскими войсками в августе 1656 г. в ходе русско-шведской войны, в честь Димитрия Иоанновича (город был назван Царевичев-Димитриев). В «Житии Димитрия Иоанновича», написанном Димитрием Ростовским, приведены сведения о чудесных исцелениях, имевших место у гробницы в Архангельском соборе (от 38 до 46 описаний чудес в различных списках). Люди исцелялись от слепоты, хромоты, глухоты, гнойных язв, бесовской одержимости. Большая часть исцелившихся – женщины, жительницы Москвы и ряда других русских городов (в частности, вдову Киликию привезли из Великого Новгорода), монахини московских монастырей. Одному из исцелённых, С. Стефанову, сторожу в Вознесенском монастыре, Димитрий Иоаннович явился в образе «отрока млада в светлой одежде». В «Житии» отмечено, что чудо с исцелением слепой Агафьи произошло, когда в соборе находился царь Василий Иоаннович. Другая женщина, Мария, прозрела, когда в соборе служили панихиду по царю Феодору, в присутствии царя Василия и членов Боярской думы.