Построен в эпоху наивысшего могущества и расцвета великого Владимирского княжества великим князем владимирским Всеволодом Юрьевичем Большое Гнездо в честь своего небесного покровителя Дмитрия Солунского, князь Всеволод в крещении носил имя Димитрий. По Николаю Воронину, построен в 1194—1197 годах, по летописным данным, обнаруженным в 1990-х годах Татьяной Тимофеевой, в 1191 году. Возводился храм из белого камня-известняка. Строили храм русские мастера. В так называемой Радзивилловской летописи об этом рассказывается так, «Многие церкви создал Всеволод во время власти своей. Создал церковь прекрасную мученика Дмитрия на дворе своём и украсил её дивно иконами и письмом. И не искал Всеволод мастеров у немцев, но нашёл мастеров среди клевретов Святой Богородицы и своих. Одни олово лили, другие кровлю крыли, иные известью белили».
В 1197 году постройка храма была завершена князем Всеволодом Юрьевичем постановкой иконы Дмитрия Солунского и серебряного чеканного ковчежца, где находилась «сорочка», частица одежды, пропитанная кровью мученика, «И принёс гробную доску из Селуня святого мученика Дмитрия, миро непрестанно источающего на здоровье немощным, в той же церкви поставил, и сорочку того же мученика тут положил».
В 1237 году собору суждено было разделить судьбу столицы Владимирского княжества. Повреждённый и разграбленный монголо-татарами, храм впоследствии ещё не раз горел, в 1536, 1719 и 1760 годах и подвергался разграблениям.
В результате «реставрации» 1837—1839 годов, когда по распоряжению Николая I собору был придан «первобытный вид», храм лишился интереснейших частей, лестничных башен и галерей.
В советское время Дмитриевский собор сохранился лишь как памятник древнерусского искусства. В 1918 году в соборе работала Комиссия по сохранению памятников живописи под руководством Игоря Грабаря. В 1919 году храм был закрыт для богослужений. Собор неоднократно реставрировали. После завершающего этапа работ, произведённых в 1999—2004 годах, в церкви поставили водосточные трубы, заменили крест на куполе, создали микроклимат, а также покрыли рельефы и белый камень защитной пластической смесью.
Сейчас собор находится в ведении Владимиро-Суздальского музея-заповедника и открыт как музейная экспозиция. Богослужения в храме долгое время не проводили, но в 2011 году там прошла литургия, и собор стал действующим, хотя не был передан Русской православной церкви и остаётся частью музея-заповедника.
