По наиболее распространенной версии, небольшая часовня-мартирий на месте римских терм, где принял мученическую смерть святой Димитрий,
или над местом его погребения в них же, была построена между 313 и 323 гг. Вода, текущая из источника, находившегося
в термах, по преданию, обладала целебными свойствами; с ее помощью эпарх (губернатор) Иллирии
(региона Римской империи, объединявшего Паннонию и Далмацию) Леонтий исцелился от паралича, после чего в 412 – 413 гг.
построил на месте часовни трехнефную церковь. Другие исследователи считают, что строительство этой церкви началось позже —
называются даты от 450 до 520 гг., допуская при этом и существование базилики Леонтия.
В VII в. церковь сильно пострадала от пожаров и, возможно, землетрясения, и была восстановлена, приобретя при этом современный
пятинефный вид. Опять-таки, не существует единого мнения о том, когда это произошло; называются конец первой половины VII в. и
рубеж VII – VIII вв.
В начале X в. храм был разграблен сарацинами, а в конце XII в. — норманнами. В период османского владычества церковь в
течение нескольких десятилетий оставалась христианской, но в 1492 – 1493I гг. все же была превращена в мечеть.
В 1907 г. стены тогда еще мечети начали расчищать от нанесенной на мозаики и фрески штукатурки, а в 1912 г. в церкви
возобновились христианские богослужения.
В 1917 г. базилика снова сильно пострадала от пожара, опустошившего большую часть города. Ее восстановление началось в 1917 г. и
продолжалось до 1948 г. Сохранилось большинство колонн и их капителей, часть мраморной облицовки стен; удалось восстановить
ряд мозаик и фресок.