Местное почитание юрьевских князей, в том числе Димитрия Святославича, началось не позднее XVII в. Это подтверждается документами Суздальской духовной консистории: делом 1722 г. «О некоторых образах и священных реликвиях, найденных в церквах Суздальской епархии», возникшим по доношению епархиального инквизитора иеромонаха Лаврентия Юрьевчанина, который сообщал, что в Троицком приделе Георгиевского собора в Юрьеве-Польском («при алтаре по левую сторону») есть две почитаемые гробницы, мощи в которых «нынешний Варлаам, епископ Суздальский и Юрьевский, не осматривал». Одна из них почиталась как гробница Димитрия Святославича, его мощи покоились «в земле в гробе», гроб был «закладен каменьем, а на верху каменья положена пелена. И к тем-де гробам в торговые и прочие дни приходят многие христиане и приносят мёд, и по просьбе-де их попы отпевают над теми гробами панихиды». В 1809 г. усыпальница была расширена к востоку и переделана в Троицкий тёплый собор, в 1817 г. к нему пристроили Крестовоздвиженский придел. В начале XX в. протоиерей Георгиевского собора Александр Георгиевич Знаменский писал о почитании юрьевских князей: «Своё усердие к ним и почитание вся юрьевская округа выражает постоянным совершением пред их честными гробницами панихид и кратких литий». В ризнице Георгиевского собора хранилась рукопись XVII в., озаглавленная «Месяца февруария в 3 день. Сказание вкратце о житии и пребывании святого благоверного князя Святослава, нареченного в крещении Гавриила, Всеволодовича и сына его Димитрия, иже во граде Юрьеве-Польском». Судьба мощей Димитрия Святославича после Октябрьской революции 1917 г. исследователям неизвестна. В частности, в публикации, освещающей результаты вскрытия 17 февраля 1919 г. гробницы князя Святослава Всеволодовича, о мощах Димитрия Святославича ничего не сообщается. Гробницы Димитрия Святославича и князя Святослава в Георгиевском соборе Юрьева-Польского не сохранились. Почитание Димитрия Святославича возобновилось в конце XX в. Его имя включено в Собор Владимирских святых (празднование установлено в 1982 г.). Не позднее XVII в. память Димитрия Святославича 3(16) февраля начала праздноваться в Юрьеве-Польском. Изображения Димитрия Святославича в виде средовека исследователи встречают на некоторых миниатюрах из Лицевого летописного свода 1570 гг.: в рассказе о совместном походе на Новгород с великим князем Александром Невским, пострижение в схиму и преставление Димитрия Святославича (Первый Остермановский том. Библиотека Академии Наук).