Построенный по обычной схеме четырехстолпного одноглавого храма Дмитриевский собор блещет поразительной красотой спокойных и мужественных стройных пропорций и торжественностью своего резного убора. На глади стен нижнего яруса рисуются лишь перспективные порталы с резными полукруглыми завершениями - архивольтами. Выше, вплоть до барабана главы, фасады покрыты сплошной резьбой, напоминающей пышную узорчатую ткань, отороченную бахромой колончатого пояса, в котором помещены фигуры святых. Расположение рельефов горизонтальными рядами подчеркивает величественную неподвижность и царственность здания. Центром композиции резного убора является фигура библейского царя Давида в средних закомарах фасадов. Вокруг размещены изображения зверей и чудищ, всадников и птиц, причудливых трав и цветов; среди них очень мало изображений церковного характера. Резной убор имел преимущественно декоративное значение. Он гармонично сочетается с архитектурными формами, не отягощая и не затемняя их. В восточной закомаре северного фасада помещен скульптурный портрет строителя собора - князя Всеволода с сыновьями. В восточной закомаре южного фасада центральное место занимает рельеф, изображающий легенду о вознесении Александра Македонского, - сюжет, связанный с обожествлением царской власти. Дмитриевский собор с необычайной силой воплощает мысль о величии владимирского князя и его земли, апофеоз их могущества.

Скульптурное убранство, собора создано владимирскими резчиками, использовавшими в качестве образцов многообразные произведения русского и зарубежного прикладного искусства. В резьбе сказываются две манеры: одна, более плоскостная, говорит о еще живых навыках деревянной резьбы, другая - свидетельствует об овладении новым материалом - камнем и об умении создавать высокий округлый рельеф. В отличие от скульптурного убранства романских соборов убор Дмитриевского собора характеризуется ясностью и целостностью композиции, сказочной декоративностью. Дмитриевский собор - гениальное творение русских зодчих и скульпторов XII в.

На сводах, под хорами собора, сохранились замечательные фрагменты фресковой росписи XII в. («Страшный суд»), исполненной большой артелью живописцев во главе с выдающимся греческим мастером и его даровитым русским учеником.