2000 gewann er bei den Halleneuropameisterschaften in Gent die Silbermedaille und musste sich dabei wieder nur Charles Friedek geschlagen geben. Bei den Olympischen Spielen in Sydney belegte Dimitrow den neunten Rang und wurde zum Abschluss der Saison beim IAAF Grand Prix Final in Doha Zweiter. Bei den Leichtathletik-Weltmeisterschaften 2001 in Edmonton belegte er den achten, bei den Europameisterschaften 2002 in München den neunten Platz.