Dimitrov vant en olympisk sølvmedalje i volleyball under OL 1980 i Moskva. Han var med på det bulgarske laget som kom på andreplass i volleyballturneringen for menn bak Sovjetunionen. Bulgaria vant semifinalen mot Polen med 3-0 men tapte finalen mot Sovjetunionen med 1-3. Dimitrov spilte tre kamper i OL-turneringen.
