Le temple a été construit à l'apogée de la principauté de Vladimir par le grand prince Vsevolod Iourievitch, connu sous le nom de Grand Nid, en l'honneur de son saint patron, Dmitri de Thessalonique. Vsevolod, qui a pris le nom de Dimitri lors de son baptême, a commencé la construction en 1191, selon les chroniques trouvées par Tatiana Timofeeva dans les années 1990. Nikolai Voronine indique les années 1194-1197. Le temple a été érigé en calcaire blanc par des artisans russes. La chronique de Radziwill mentionne que Vsevolod a créé de nombreuses églises, y compris l'église de Dmitri, qu'il a décorée d'icônes et de fresques. Il n'a pas fait appel à des maîtres étrangers, mais a utilisé des artisans locaux.

En 1197, la construction a été achevée avec l'installation de l'icône de Dmitri de Thessalonique et d'une châsse en argent contenant un morceau de l'habit du martyr. En 1237, la cathédrale a souffert de l'invasion mongole-tatare, a été endommagée et pillée, puis a brûlé plusieurs fois en 1536, 1719 et 1760.

Entre 1837 et 1839, sur ordre de Nicolas Ier, la cathédrale a été restaurée, mais a perdu certains éléments architecturaux intéressants. À l'époque soviétique, elle a été préservée en tant que monument de l'art ancien russe. En 1918, une Commission pour la préservation des monuments de peinture a travaillé dans la cathédrale sous la direction d'Igor Grabar, et en 1919, le temple a été fermé aux services religieux. La cathédrale a été restaurée à plusieurs reprises, et des travaux d'amélioration de son état ont été réalisés en 1999 et 2004.

Actuellement, la cathédrale est gérée par le musée-réserve de Vladimir-Souzdal et fonctionne comme un musée. Les services religieux n'ont pas eu lieu pendant longtemps, mais en 2011, une liturgie a eu lieu dans la cathédrale, et elle est redevenue active, tout en restant partie intégrante du musée-réserve et sans être transférée à l'Église orthodoxe russe.