Jego pierwszą placówką duszpasterską była wieś Sadygóra na rodzinnej Bukowinie, gdzie był również katechetą w polskiej szkole. Po kilkuletniej posłudze został przeniesiony do parafii św. Elżbiety we Lwowie. Podjął wtedy studia doktoranckie na Wydziale Teologicznym w Innsbrucku; po uzyskaniu dyplomu rozpoczął pracę jako katecheta w Szkole Realnej, późniejszym I Gimnazjum im. Mikołaja Kopernika. W latach 1918–1920 został powołany przez abpa Bilczewskiego na plenipotenta w dobrach ziemskich Archidiecezji Lwowskiej, a następnie na wicedyrektora lwowskiego Seminarium Duchownego. Po śmierci Bilczewskiego w 1923 r. ks. Dymitrowski objął parafię w Bełzie, a dwa lata później dekanat.
Jako proboszcz i dziekan bełski ks. Dymitrowski angażował się w działalność wielu katolickich stowarzyszeń, m.in. był asystentem kościelnym Katolickiego Związku Polek oraz Stowarzyszenia Młodzieży Polskiej. Odegrał decydującą rolę przy wykupie z rąk prywatnych dóbr ziemskich wokół kościoła Najświętszej Maryi Panny w Bełzie (tzw. kościoła na Zameczku), gdzie później wybudował kaplicę św. Walentyna oraz ołtarz polowy dla pielgrzymów. W 1932 r. poszedł na czele pielgrzymki z Bełza do Częstochowy, gdzie ofiarował ryngraf wykonany na jego zlecenie przez lwowskiego artystę Stanisława Batowskiego, upamiętniający 550.