Στον Μυστρά χρημάτισε Δεσπότης το διάστημα 1449-1460. Το 1453 δε μπόρεσε ή πιθανώς δεν προσπάθησε καν να βοηθήσει με στρατεύματα τον αδελφό του Κωνσταντίνο να σώσει την Πόλη αφού τον απείλησε πριν την πολιορκία και ο Μωάμεθ Β. Μετά την άλωση της Κωνσταντινουπόλεως και τον θάνατο του αυτοκράτορα Κωνσταντίνου, ο Δημήτριος και ο Θωμάς λιποψύχησαν και αρχικά σκέφτηκαν να ζητήσουν άσυλο στην Ιταλία. Αναθάρρησαν όμως κι αργότερα άλλαξαν σκοπό. Σύμφωνα με το νόμο, ο μεγαλύτερος Δημήτριος έπρεπε να διαδεχτεί τον Κωνσταντίνο στον αυτοκρατορικό θρόνο, αλλά ο νεώτερος δεν συναίνεσε, και έτσι μοίρασαν την εξουσία, εξακολουθώντας την δικαιοδοσία τους στην Πελοπόννησο, με έδρα το Μυστρά ο μεν και την Πάτρα ο δε. Αναγνώρισαν την κυριαρχία του Σουλτάνου επί πληρωμή μεγάλου ετησίου φόρου δώδεκα χιλιάδων δουκάτων που αποδείχτηκε δυσβάσταχτος για τους υπηκόους τους Ρωμιούς κι Αρβανίτες.