Собор построен из белого камня-известняка местными мастерами. На фасадах собора находится более тысячи резных камней. В первоначальном замысле скульптуры ведущей является тема власти. Ее раскрывают композиции с рельефом св. Давида в трех центральных закомарах. В образе Давида – псалмопевца, пастыря, царя, пророка – предвосхищен образ Христа. К теме идеального правителя принадлежат композиции «Полет Александра Македонского» на южном фасаде, «Подвиги Давида» и «Подвиги Геракла» на западном фасаде, портрет князя Всеволода с сыновьями на северном фасаде. Символами власти и покровительства служат геральдические фигуры львов, барсов, орлов.

Фресковые росписи XII века, обнаруженные в 1843 г., изображают композицию «Страшный суд». Росписи Дмитриевского собора представляют собой оригинальный вариант классического византийского стиля конца XII века. Живописцы прибыли во Владимир, вероятно, из византийского города Фессалоники, откуда происходят и священные реликвии Дмитрия Солунского.

Реликвии Дмитриевского собора – икона («доска гробная») св. Дмитрия и ковчежец-мощевик, принесенные в храм в 1197 г., а впоследствии попавшие в Москву, – вернулись в собор из столичных музеев (в копиях). Экспонируется грандиозный четырехметровый крест с просечным орнаментом, снятый с главы собора и замененный в 2002 г. новоделом.

В соборе нет традиционных музейных витрин и стендов. Их заменили произведения современной технологии: стекло, в том числе триплекс, металл и электронная графика. Выставка, оставляя свободным полное тайны и трепета пространство храма, дает разностороннее представление об этом уникальном памятнике древнерусской культуры.