V kúpeľoch bol podľa legendy väznený svätý Demeter, ktorého cisár Dioklecián poslal na smrť. Ten sa neskôr stal patrónom Solúna a bol vyhlásený za svätého. Na mieste, kde bol mučený, bol postavený najskôr malý kostolík a v 5. storočí vybudovaná bazilika, ktorá má päť lodí. V podzemnej časti baziliky sa nachádzajú zvyšky rímskych kúpeľov a malé múzeum. Ostatky svätého Demetra sú uložené v sarkofágu v hlavnej lodi kostola.
Bazilika je známa svojim impozantnými mozaikami. Tou najkrajšou v celom Grécku je mozaika, ktorá vyobrazujú svätého Demetra s deťmi. Mnoho byzantských fresiek a mozaík bolo zničených v dobe osmanskej nadvlády, kedy kostol fungoval ako mešita. Tie, ktoré sa zachovali, nájdete z oboch strán oltára.