Дмитриевский белокаменный собор расположен рядом с Успенским. Он построен в 1194-1197 гг. князем Всеволодом III как дворцовый храм в честь покровителя князя святого Дмитрия Солунского и в связи с рождением княжеского сына Дмитрия. Храм воплощает в себе идею прославления могущества Владимирской земли и самого Всеволода.

Собор представляет собой крестово-купольный храм кубической формы с тремя полукруглыми апсидами на востоке, увенчанный одной шлемовидной главой на цилиндрическом барабане. При его возведении использована традиционная для владимирского зодчества техника белокаменной кладки. По архитектурной композиции и пропорциям собор является характерным образцом владимирского зодчества XII в. на этапе его наивысшего развития.

Необычно по сравнению с храмами-предшественниками белокаменное фасадное убранство Дмитриевского собора. Всего в скульптурном декоре храма насчитывается около полутора тысяч резных камней. Собор как бы покрыт тончайшим кружевом. В сюжетах резного убранства собора показана грандиозная картина мира во всех его проявлениях, утверждается идея укрепления княжеской власти и внедрения новых религиозных идеалов в сознании людей. В конце XII в. собор был расписан. Живопись выполнена в технике фрески. В настоящее время древняя живопись сохранилась лишь на центральном и южном (большом и малом) сводах под хорами.