W 2012 Dimitrow został pierwszym Bułgarem sklasyfikowanym w gronie pięćdziesięciu najlepszych tenisistów świata, a także pierwszym, który doszedł do półfinału turnieju ATP (dokonał tego trzykrotnie). Wygrał 24 profesjonalne mecze – najwięcej w dotychczasowej karierze.
2013 W styczniu 2013 w Brisbane przedostał się do swojego pierwszego w karierze finału ATP, gdzie przegrał z broniącym tytułu Andym Murrayem 6:7(0), 4:6. Awansował na 39., najwyższe w karierze, miejsce w rankingu. Został pierwszym Bułgarem w historii, który wystąpił w finale turnieju ATP Tour.
W lutym zagrał w półfinale w Rotterdamie, pokonany przez del Potro 4:6, 4:6.
W kwietniu awansował w Monte Carlo do swojego pierwszego ćwierćfinału zawodów rangi Masters. W tym spotkaniu wygrał seta z faworytem i wielokrotnym mistrzem tej imprezy, Rafaelem Nadalem. Mecz zakończył się wynikiem 6:2, 2:6, 6:4 na korzyść Hiszpana.
W drugiej rundzie imprezy Masters w Madrycie sensacyjnie pokonał lidera rankingu Novaka Đokovicia 7:6(6), 6:7(8), 6:3.