Dimitrov startet sin spillerkarriere hos Beroe Stara Zagora i 1976, hvor han spilte én sesong før han meldte overgang til hovedstadklubben CSKA Sofia. Der fikk han sitt gjennombrudd og spilte over 220 seriekamper og scoret 19 mål frem til 1986, da han skrev under på en kontrakt med den franske klubben AS Saint-Étienne like før dette årets verdensmesterskap. Han ble for øvrig valgt til årets fotballspiller i Bulgaria i 1985. Han spilte kun to sesonger hos den franske klubben før han igjen returnerte til CSKA Sofia i 1988. I perioden 1989 til 1990 avsluttet han sin spillerkarriere hos naborivalen Slavia Sofia.