Venäjän ja Bulgarian välit paranivat ajan myötä ja Dimitriev palasi kotimaahansa liittyen Bulgarian armeijaan vuonna 1898. Dimitriev sai tukea Venäjältä, jonka avulla hän sai aseman Bulgarian armeijan esikuntapäällikkönä. Bulgarialaiset saivat merkittäviä voittoja turkkilaisista ensimmäisen Balkanin sodan aikana 1912–1913 Dimitrievin alaisuudessa. Sotaonni ei kuitenkaan ollut yhtä hyvä toisen Balkanin sodan sytyttyä Bulgarian, sekä kreikan, Romanian ja Serbian välillä Bulgarian lopulta hävitessä sodan. Toisen Balkanin sodan tappion jälkeen Dimitrievistä tuli Bulgarian Venäjän lähettiläs. Hän oli myös Bulgarian tsaariksi nousseen Ferninandin saksalaismyönteisen politiikan vastustaja.