В 1237 году храм разделил судьбу столицы Владимирского княжества. Разграбленный и поврежденный татарами, храм впоследствии еще неоднократно горел и подвергался разграблениям.
В 1837-1839 годах "знатоки русского стиля" провели по распоряжению Николая I "реставрацию", чтобы придать собору "первобытный вид".
В результате собор был изуродован до такой степени, что утратил какое-либо подобие первоначального вида и начал разрушаться. Только последующие реставрационные работы отчасти вернули храму его первозданный облик.
Фасады здания разделены на три яруса. Нижний почти лишен всякого убранства и на фоне его гладких стен выделяются только резные перспективные порталы. Средний ярус представлен колончатым аркатурным поясом с белокаменными резными фигурами и богатейшим орнаментом. Верхний ярус, прорезанный узкими высокими окнами, сплошь покрыт резьбой. Резьба покрывает и барабан купола. Храм увенчивает пологий золоченый купол, напоминающий богатырский шлем. На нем установлен древний, ажурный широкий крест из прорезной золоченой меди.
Белокаменная резьба Дмитриевского собора давно стала предметом восхищения и изучения. 566 резных камней на фасадах храма развернуты в причудливую картину мира, где образы христианства мирно уживаются с образами народной мифологии и сюжетами средневековой литературы.
В резьбе колончатого пояса помещена целая галерея святых, среди которых - русские князья Борис и Глеб. Большинство этих фигур поздние, самые ранние скульптуры сохранились только в части северного фасада. Под каждой фигурой вырезаны изображения причудливых растений или животных.
Уцелевшие после бедствий и пожаров остатки средневековой фресковой живописи были уничтожены в 1843 году, тогда же собор был заново расписан масляными красками.
В 1918 году Всероссийская реставрационная комиссия при расчистке обнаружила под сводами хор остатки фресковой росписи XII века - сцены из "Страшного суда". Это явилось событием: из небытия возникло одно из лучших созданий древнерусского художественного гения.
Внутри храм невелик - ведь он строился для княжеской семьи. Широкий и мерный ритм поддерживающих своды арок придает внутреннему облику собора торжественное спокойствие, пространство наполнено воздухом и светом.
В 1919 г. храм был закрыт для богослужений и передан Владимирскому музею. Отопление бездействовало, разрушались конструкции, настенные росписи, белый камень. Ремонтные работы начались в 1937 г. Укрепление конструкций в 1941, 1948-1952 гг. (архитектор А.В. Столетов) вывело здание из аварийного состояния.
В 1974-1980-е гг. реставраторы занимались проблемами сохранения белого камня. Окончательный этап работ проведен в 1999-2004 гг.: покрытие белого камня и рельефов защитной пластической смесью, устройство водосточных труб, замена креста на куполе, создание микроклимата.