Im Juniorenbereich nahm Dimitrow mit Bulgarien an den U18-Weltmeisterschaften 2014 und 2015, als er zum besten Spieler seiner Mannschaft gewählt wurde, sowie an den U20-Weltmeisterschaften 2016, als er die beste Fangquote und den geringsten Gegentorschnitt des Turniers aufwies und erneut zum besten Spieler seiner Mannschaft gewählt wurde, und 2017 jeweils in der Division III teil.