Dimitrova vant en olympisk bronsemedalje i volleyball under OL 1980 i Moskva. Hun var med på det bulgarske laget som kom på tredjeplass i volleyballturneringen for damer bak Sovjetunionen og Øst-Tyskland. Bulgaria tapte semifinalen mot Øst-Tyskland med 2-3 men vant bronsefinalen med 3-2 over Ungarn. Dimitrova spilte tre kamper i OL-turneringen.