Αργότερα όμως ο άγιος Δημήτριος μετανόησε για την πράξη του αυτή και ήλθε στο Άργος και από εκεί για μεγαλύτερη ασφάλεια πήγε στη Σμύρνη για να καταλήξει στις Κυδωνιές στη Μονή του Προδρόμου, όπου βρήκε ευσεβή πνευματικό και αφού εξομολογήθηκε ζήτησε την συμβουλή του.
Με τη προτροπή του πνευματικού του ο άγιος Δημήτριος έφθασε στη Χίο κοντά σε κάποιο άλλο φημισμένο πνευματικό με τη βοήθεια του οποίου προετοιμάσθηκε για το μαρτύριο. Για το λόγο αυτό επέστρεψε στο Άργος, όπου παρέμεινε κρυμμένος και χειραγωγούμενος από τον ευσεβή ιερέα Αντώνιο Σακελλάριο.
Εν συνεχεία ο άγιος Δημήτριος πήγε στη Τρίπολη, όπου παρουσιάσθηκε στο τούρκο διοικητή και με παρρησία δήλωσε ότι πιστεύει στο Χριστό τον μόνο αληθινό Θεό και είναι πρόθυμος να μαρτυρήσει γι` Αυτόν.
Ακολούθησαν φρικτά βασανιστήρια αλλά ο Δημήτριος παρέμεινε αμετακίνητος. Αφού κάθε προσπάθεια να τον μεταπείσουν απέτυχε, τον αποκεφάλισαν στις 14 Απριλίου 1803 στη Τρίπολη. Οι Χριστιανοί παρέλαβαν το σεπτό λείψανό του και το έθαψαν με τις τιμές που του άξιζε. Σήμερα βρίσκεται στο Καθολικό της Ι. Μονής Αγίου Νικολάου Βαρσών.