Беды, пережитые Владимиром, не оставили от былого великолепия собора и следа. Но и с перенесением столицы в Москву, великие князья не забывали Дмитриевского собора. Служители его пользовались особыми правами и привилегиями. В царствование Ивана Грозного и Александра I собор пополнился пристройками, которые впрочем, были уничтожены по приказу Николая I. Посетив Владимир в 1834 г., император распорядился привести памятник в первоначальный вид. Реставрированный храм был освящен 24 августа 1847 г. архиепископом Владимирским и Суздальским Парфением.
До 1883 г. собор оставался холодным и служили в нем только в летнее время. В том году было устроено отопление.
Стены собора сплошь покрыты рельефными изображениями Господа, Божией Матери, Ангелов, святых, фигурами животных и растений. До сих пор неизвестен смысл этих скульптурных изображений. Есть несколько предположений. Согласно одному, это олицетворение слов псалма: «всякое дыхание да хвалит Господа». Согласно другому, большая часть изображений относится к событиям жизни св. Димитрия Солунского, который был проконсулом в Македонии, а также к действиям цирка. Согласно третьему предположению, вся фантастическая композиция является параллелью к древнему стиху о «Голубиной книги» – славянскому литературному произведению, смысл которого в общих чертах был понятен современникам. По свидетельству летописцев, великий князь дивно украсил церковь иконами и письмом. Но от этих украшений ничего не осталось.
Святыней собора была икона вмч. Димитрия Солунского, написанная в 1197 г. на доске от его гробницы, и принесенная в дар князю Всеволоду из Солуни (современные Салоники в Греции) – родины св. вмч. Дмитрия. В 1380 г. по повелению князя Дмитрия Ивановича Донского, икона была перенесена в Московский Успенский собор и впоследствии поставлена при гробе свт. Филиппа.
Престол в храме один – во имя св. мч. Дмитрия Солунского. Приделы свт. Николая и Ивана Предтечи, устроенные Иоанном Грозным, были упразднены Николаем I. Внутри собора был погребен Владимирский наместник граф Роман Иларионович Воронцов. На его могиле был сооружен дорогой художественный памятник из каррарского мрамора, сделанный в Лондоне.