W 1956 roku Dimitrow zadebiutował w europejskich pucharach, kiedy to wystąpił z CDNA Sofia w Pucharze Mistrzów. Był to zarazem debiut bułgarskiego klubu w oficjalnych rozgrywkach międzynarodowych pod egidą UEFA. W edycji 1956/57 zdobył on gola w wygranym 8:1 spotkaniu I rundy przeciwko FC Dinamo Bukareszt. W kolejnym etapie jego zespół uległ w dwumeczu FK Crvena zvezda (1:3 i 2:1) i odpadł z rywalizacji.
Latem 1959 roku odszedł do drugoligowego Czerno More Warna, w którym występował jego brat Nikoła. Po przyjściu do klubu otrzymał funkcję kapitana zespołu. W sezonie 1959/60 awansował z Czerno More do A RFG, w której grał do 1964 roku, kiedy to zakończył karierę zawodniczą i został włączony do sztabu szkoleniowego.
Kariera reprezentacyjna 6 września 1953 zadebiutował w reprezentacji Bułgarii w przegranym 1:2 meczu przeciwko Czechosłowacji w eliminacjach mistrzostw świata 1954. 13 września tego samego roku w towarzyskim spotkaniu z Polską (2:2) zdobył pierwsze dwie bramki w drużynie narodowej. W 1956 roku wziął udział w igrzyskach olimpijskich w Melbourne, na których wywalczył z Bułgarią brązowy medal, pokonując w meczu o 3. miejsce 3:0 Indie. Ogółem w latach 1953–1958 rozegrał w zespole narodowym 30 spotkań i zdobył 7 goli.