Белокаменный одноглавый собор был построен во времена правления владимирского князя Всеволода Большое Гнездо и освящён в честь мученика Дмитрия Солунского — небесного покровителя великого князя. Точная дата возведения собора неизвестна, но приблизительно это был 1197 год.
Согласно летописям, к строительству Дмитриевского собора были привлечены только русские зодчие и ни одного чужеземца. Вместе с тем, в убранстве собора угадывается характерный для Византии и Балкан стиль. Это дало основание полагать, что среди строителей всё-таки были болгары, сербы либо другие выходцы с Балканского полуострова.
Стены собора украшены ажурной белокаменной резьбой и резными камнями, всего около 600 барельефов. Во внутреннем убранстве частично сохранились фрагменты фресковой росписи (12 век), в том числе композиции «Страшный суд» и «Лоно Авраамово».
Сегодня храм открыт для туристов как музейная экспозиция, службы в нём не проводятся.