Храм был построен в период наивысшего расцвета Владимирского княжества великим князем Всеволодом Юрьевичем, известным как Большое Гнездо, в честь своего небесного покровителя Дмитрия Солунского. Всеволод, принявший в крещении имя Димитрий, начал строительство в 1191 году, согласно летописным данным, найденным Татьяной Тимофеевой в 1990-х годах. Николай Воронин указывает на 1194-1197 годы. Храм возводился из белого известняка русскими мастерами. В Радзивилловской летописи говорится, что Всеволод создал множество церквей, включая церковь Дмитрия, которую украсил иконами и росписями. Он не привлекал мастеров из-за границы, а использовал местных умельцев.

В 1197 году строительство завершилось установкой иконы Дмитрия Солунского и серебряного ковчежца с частицей одежды мученика. В 1237 году собор пострадал от монголо-татарского нашествия, был повреждён и разграблен, а затем несколько раз горел в 1536, 1719 и 1760 годах.

В 1837-1839 годах по приказу Николая I собор был реставрирован, но утратил некоторые интересные архитектурные элементы. В советское время он сохранился как памятник древнерусского искусства. В 1918 году в соборе работала Комиссия по сохранению памятников живописи под руководством Игоря Грабаря, а в 1919 году храм закрыли для богослужений. Собор неоднократно реставрировали, и в 1999 и 2004 годах были проведены работы по улучшению его состояния.

В настоящее время собор находится под управлением Владимиро-Суздальского музея-заповедника и функционирует как музей. Богослужения долгое время не проводились, но в 2011 году в соборе состоялась литургия, и он стал действующим, оставаясь частью музея-заповедника и не передаваясь Русской православной церкви.