Достоверно известно, что построен он был в конце XII века, но точные годы постройки неизвестны. В одних источниках упоминаются 1194-1197 годы, в других — 1191 год.
Построен Дмитриевский собор был великим князем Всеволодом Большое Гнездо, а название он получил в честь великомученика Димитрия Солунского, которого князь считал своим покровителем, так как он и сам в крещении носил имя Дмитрий.
Белокаменный Дмитриевский собор построен из известняка.
Храм целиком и полностью возводили русские мастера.

В ходе многочисленных войн Дмитриевский собор много раз горел и бывал разграблен. Однако, он всё же уцелел до наших дней, пройдя через 8 веков.
С 1919 по 2011 годы богослужений в нём не проводилось.
На рубеже XX-XXI веков была проведена глубокая реставрация Дмитриевского собора, призванная сохранить его в первозданном виде, насколько это возможно.
В настоящее время в нём проводятся богослужения, однако, собор всё равно считается музеем-заповедником, и не принадлежит РПЦ.

Дмитриевский собор во Владимире отличается скромными размерами, так как они изначально строился в качестве домовой церкви для князя и членов его семьи.
Его стены украшены почти 600 барельефами, изображающими святых, мифологических тварей и реальных животных.