Колокольня могла располагаться в восточном углу южного нефа. Паломники проходили мимо столпов, созерцая мозаики, в первый северный неф, где в простенках были изображены мучения великомученика Димитрия (фрагменты фресок существовали до пожара 1917 г.). Сохранились мозаики наружного оформления базилики. В обрамлении несколько окон в центре – в медальоне крест в окружении орнаментальных мотивов. В храме сохранились фрагменты фресок VIII–XV вв.: на восточной грани алтарного столпа под мозаикой – ростовая фигура неизвестной святой, возможно, св. Анастасии из Сирмия; на западной грани того же столпа под мозаикой – тронный образ Христа, на фреске надпись: «Иисус Христос Мироточивый»; в той же зоне на западном и южном выступах крещатого столпа – в рост великомученик Димитрий и неизвестная святая (св. Феодора Солунская (?), фреска плохой сохранности); в нише слева от алтаря – Деисус; на южной стене – великомученик Димитрий в рост, в молении; там же – незначительные фрагменты композиции (разделена на две части позднейшими перестройками) с историческим сюжетом (надпись утрачена), по мнению исследователей, автократор Юстиниан II на белой лошади, в сопровождении свиты торжественно вступающий в Фессалонику после битвы при Клисуре (688–689 гг.), или император Василий II после завоевания Сирмия (1019 г.). На втором столпе южной колоннады центрального нефа – преподобный Лука Стириот, основатель монастыря Осиос Лукас; на первом столпе южной колоннады центрального нефа (1360–1380 гг.) – св. Иоасаф с неизвестным святителем (Григорий Палама (?), Иоанн Кантакузин, принявший монашество с именем Иоасаф (?)); в нартексе – Распятие с предстоящими; на восточной стене, рядом со входом в парекклисион св. Евфимия, изображены конные великомученики Димитрий и Георгий. В XX в. было выполнено несколько мозаик (на столпах – ростовые фигуры Христа (работа П. Сарфатиса), Богородицы, великомученика Димитрия и др.), и в 1992 г. мастерской Пахомеев из Кареи расписано пространство алтаря (в конхе – Богоматерь Платитера и полуфигуры пророков, в простенках между окнами – св. отцы, на арке – «Благовещение» и пророки). Крипта, расположенная под средокрестием, была открыта при раскопках после пожара 1917 г. Сооружение, связанное с почитаемым источником, было устроено в субструкциях римских терм и предшествующих строений эллинистического времени. Оно трансформировалось по мере перестроек базилики, датировка его строительных периодов во многих случаях затруднительна. Исследователи предполагают, что первоначально это был двор с колоннадой по периметру; источник находился в его западной части, с востока же, где двор, возможно, был крытым, размещался вход. В связи с расширением храма в VII в. и строительством нового алтаря помещение было перекрыто сводами на четырёх столбах, превратившись, таким образом, в крипту; тогда же, скорее всего, как полагают исследователи, была построена и существующая ныне апсида. Источник первоначально представлял нимфей с пятью экседрами, вода из которых соединялась в единый поток.