דימיטרוב נולד בכפר אני צ'יפליק שבאסיה הקטנה. לאחר מלחמת הבלקן השנייה בוצע טרנספר אוכלוסיות בין המדינות הלוחמות ומשפחתו של דימיטרוב נאלצה להגר מכפרה לבולגריה והתיישבה בכפר דוירנצי אשר במחוז לובץ'. ב-1922 הצטרף למפלגת האיכרים ולאחר ההפיכה הצבאית שהובילה להדחתו ולרציחתו של ראש ממשלת בולגריה ומנהיג מפלגת האיכרים אלכסנדר סטמבוליסקי, נעצר ונכלא. דימיטרוב שוחרר לאחר מספר חודשים. ב-1925, לאחר הפיגוע בכנסיית סווטה נדליה נעצר דימיטרוב על ידי מנגנוני הביטחון של ממשל אלכסנדר צאנקוב, במסגרת מסע הטיהורים שנערך נגד גורמי אופוזיציה בממלכה. בהמשך, יצא ללימודי רפואה באוניברסיטת זאגרב וב-1929 סיימם בהצלחה.