Hacia el siglo IV de nuestra era se levantó una primitiva iglesia cristiana que reemplazaba unos baños romanos situados en el emplazamiento.
Un siglo después, un prefecto llamado Leontios convirtió el pequeño oratorio primitivo en una gran basílica de tres naves.
Fue el santuario más importante de la ciudad, probablemente mayor que la catedral local, cuya localización nos es hoy desconocida.
Las excavaciones descubrieron las ruinas de unas Termas romanas situadas en el lugar donde supuestamente San Demetrio había sido encarcelado y posteriormente ejecutado.
En el siglo V, cuando se construyó la primera iglesia dedicada a san Demetrio, el lugar de su martirio fue incorporado a la iglesia y la fuente fue convertida en un manantial de agua bendita.
En los años que le siguieron, la fuente adquirió cubetas, de las cuales los creyentes podían recoger myron, el aceite odorífero supuestamente producido por las reliquias del santo.
Hay también un arco y fragmentos de arcos del ciborio bizantino sobre el altar, que más tarde se decoró con cruces en medallones y cruces que descansan sobre orbe.
Una inscripción indica que el donante del ciborio fue Teodoro, obispo de Salónica en el siglo XIII.