Мозаики VII в. сохранились на южном и северном предалтарных столпах: на восточной грани южного столпа – великомученик Димитрий, обнимающий за плечи диакона с четырёхугольным нимбом (по мнению А. Турты, диакон – инициатор реставрации храма после катастрофы 620 г.); на северной грани южного столпа – великомученик Димитрий придерживает за плечи архиепископа Иоанна (с Евангелием в руках) и эпарха Леонтия (держащего посох и сверток), ктиторов базилики VII в.; на западной грани южного столпа – св. Сергий в молении; на восточной грани северного столпа – великомученик Димитрий в молении, ладони выложены золотой смальтой (значительная часть фигуры утрачена; датируется VII–VIII вв.); на западной грани северного столпа – великомученик Георгий (раньше считался образом великомученика Димитрия) с двумя детьми, правая рука поднята в молении, левая – на плече девочки, дорогие одежды детей указывают на знатность их семей. По общему мнению исследователей, к периоду реставрации храма после землетрясения и пожаров принадлежали утраченные во время пожара 1917 г. мозаики северного нефа (сохранились фотографии и акварельные зарисовки). Некоторые исследователи относят к VII в. и мозаику на южной грани северного столпа – Богородица в молении и св. воин в позе оранта (великомученик Феодор?), над ними, в сегменте неба, – полуфигура Христа, протягивающего руку к свитку с надписью: «Деисис...» – в руках Богородицы. По мнению других, эта мозаика была создана значительно позднее, возможно, в IX в. (Аю. Турта) или в IX–Х вв. (В.Н. Лазарев). Мозаики VII в. – самый представительный ансамбль монументального искусства этого времени на греческом Востоке. По ряду стилистических приёмов и в целом по содержанию образы принадлежат к той линии ранневизантийского искусства, принципы которой сформулированы в VI в. в искусстве Равенны (мозаики базилики Сант-Аполлинаре ин Классе, Сан-Витале), Рима (мозаики базилики Санти-Козма э Дамиано) и Синая (мозаики в апсиде кафоликона монастыря великомученицы Екатерины), отличаются духовной значительностью и аскетическим содержанием, иератической фиксированностью жестов персонажей, статикой форм. Исследователи отмечают, что при отсутствии прямых стилистических аналогий мозаики базилики Димитрия Солунского в Фессалонике имеют ряд характерных для VII в. особенностей, представляющих собой дальнейшее развитие принципов искусства VI в.: выбеленность и высветленность цвета, обобщённый рисунок, геометризованный до абстрактной простоты силуэтами одежд, стереометрической формой голов (ср. римские мозаики базилики Сант-Аньезе фуори ле Мура (около 625 г.), церкви Сан-Теодоро на Палатине (642–649 гг.), церкви Санто-Стефано Ротондо (642–649 гг.), капеллы Сан-Венанцио Латеранского баптистерия (VII в.), базилики Сан-Пьетро ин Винколи (около 680 г.), а также фрески церкви Панагии Дросиани на острове Наксос (VII в.), мозаики церкви Панагии Ангелоктисты в Кити, Кипр (вторая половина – конец VI в.)).