Tradiția bisericească menționează că trupul Sfântului a fost descoperit neputrezit după deshumare.  

Așa cum ne informează Patriarhul Constantinopolului Filoteu Kokkinos, ucenicul Sfântului Grigorie Palama, sfintele moaște ale marelui ierarh au fost păstrate în paraclisul din partea dreaptă a bisericii „Sfânta Sofia” din Tesalonic, din momentul adormirii sale (1359) până la transformarea bisericii în moschee, în anul 1525.

Despre soarta sfintelor sale moaște în perioada 1525-1734 nu există informații certe. Tradiția locală menționează că, după transformarea bisericii „Sfânta Sofia” din Tesalonic în moschee în 1523, moaștele sfântului au fost transferate la mănăstirea Vlatadon. Depunerea lor într-o biserică de pe malul mării închinată Sfântului Dimitrie a avut loc în anul 1734.

După incendiul din anul 1890, sfintele moaște, care au fost afectate extrem de puțin, au fost mutate în biserica Sfântul Nicolae din Tranos, aflată în Piața Tribunalului (partea superioară a Pieței Aristotel). În anul 1914, au fost transferate și așezate în actuala Catedrală Mitropolitană, care, în același an, a fost închinată Sfântului Grigorie Palama, împreună ocrotitor al orașului Tesalonic alături de Sfântul Mare Mucenic Dimitrie, izvorâtorul de mir.

În anul 1978 a fost amenajat un paraclis separat în interiorul Catedralei Mitropolitane și a fost realizată o racla impunătoare, în care a fost așezat sfântul trup al Sfântului Grigorie. Acest paraclis a fost pictat cu scene din viața marelui ierarh și sfânt al Bisericii noastre.

În timpul sărbătorilor Sfântului (la 14 noiembrie și în a doua Duminică din Postul Mare), racla cu sfintele moaște ale Sfântului este așezată pentru închinare în biserică, în fața tronului arhieresc. De asemenea, are loc o procesiune solemnă cu icoana Sfântului Grigorie Palama și cu sfintele sale moaște pe străzile orașului.