Разбивая библейскую историю на столетия, Димитрий придал ей летописный вид, при этом на событийный стержень нанизывались проповеди и толкования, отдельные места «Летописца» почти дословно совпадают с проповедями святителя. Автор иногда намекает на деятельность Петра I, подвергая критике «сущих на владетельствах», которые «вельми согрешают… и безгрешных осуждают вместо грешных». Святитель не завершил свой труд – повествование кончается 3600 г. от сотворения мира. В ходе работы Димитрий посылал части «Хронологии» митрополиту Стефану (Яворскому), Поликарпову-Орлову, епископу Рафаилу (Краснопольскому), которые подвергли сочинение определённой критике, в соответствии с которой автор вносил в текст изменения. Первоначально Димитрий не предполагал публиковать «Летописец», возможно, создавал его для учеников ростовской школы, не завершивших обучение из-за её закрытия. Впервые «Келейный летописец» был издан в 1784 г. стараниями Николая Ивановича Новикова (1744–1818 гг.), из текста была изъята статья «О церковных имениях» с защитой церковной собственности (вместе с другими изданиями Н.И. Новикова книга Димитрия в 1787 г. была изъята из продажи). Следующее издание с поправками и дополнениями было осуществлено в 1796 г. вместе с «Житием Димитрия» (особенностью этого издания, вероятно, осуществлённого с авторской рукописи, является наличие маргиналий, указывающих источники «Летописца», в основном, западные). Димитрий также был автором нескольких исследований по исторической хронологии – «каталогов» и «летописаний. Долгое время ставилось под сомнение его авторство в отношении «Летописца о Ростовских архиереях» 1705 г., который приписывался митрополиту Самуилу (Миславскому). Однако существует написанный собственноручно Димитрием «Летописец о Ростовских архиереях», а также его копии, в которых текст заканчивается его записью о завершении работы над «Книгой житий...» (по-видимому, митрополит Самуил продолжил труд Димитрия). В 1681–1703 гг. Димитрий вёл «Диариуш», дошедший в двух редакциях. Последним крупным сочинением святителя (закончено в марте 1709 г.) стал трактат «Розыск о раскольнической брынской вере, об учении их, о делах их и изъявление, яко вера их неправа, учение их душевредно и дела их небогоугодны» (М., 1745 г.), написанный против многочисленных в Ростовско-Ярославской епархии старообрядцев. Трактат начинается с поучения Димитрия «О четвероконечном кресте», произнесённого 23 ноября 1708 г., и состоит из трёх частей. Автор объясняет происхождение старообрядчества невежеством, резко выступает против открытых и тайных последователей «старой веры». Полемизируя, он обычно раскрывает историю догмата или обряда и доказывает несостоятельность старообрядческой точки зрения (композиция трактата близка к композиции иезуитских полемических сочинений). Среди источников «Розыска...» – русские сочинения XVII в., переводные тексты, западные сочинения; ссылки на старопечатные книги редки. По приказу Петра I один из разделов книги («Рассуждение об образе Божии и человеце») был дважды издан после смерти святителя (в 1714 и 1717 гг.).