Dimitrov maakte zijn debuut voor Bulgarije in 1953. Hij heeft 30 wedstrijden gespeeld voor de nationale ploeg en hij heeft 7 doelpunten gescoord. Hij maakte deel uit van de selectie voor het voetbaltoernooi op de Olympische Zomerspelen 1956, waar Bulgarije een bronzen medaille won.
Dimitrov overleed op 16 maart 1978 op 46-jarige leeftijd bij een vliegtuigongeluk dat plaatsvond nabij het dorp Tlachene in Vratsa.