Внутри храма не осталось ничего древнего от великокняжеской эпохи – ни церковной утвари, ни икон. Лишь во время реставрации была открыта часть древних фресок, сохранившаяся под штукатуркой, на парусах сводов и под хорами у западной стены.
Фрески эти составляют часть одной картины страшного суда, который издавна был излюбленным сюжетом для церковной стенописи. На западной стене Дмитриевского собора, по сторонам средней большой арки, изображены 12 Апостолов, сидящих на двух длинных скамьях, как судящие двенадцать колен. Израилевых, с открытыми книгами в руках. За Апостолами стоят в несколько рядов ангелы. Два ангела в стороне с трубами и надписями: «англ трубит и в землю», «англ трубит в море», призывают людей на суд. На западной арке св. ап. Петр с жезлом в руках, оканчивающимся четырехконечным крестом, ведет святых в рай; среди святых впереди выделяется фигура аскета и царицы в короне на голове; над группой надпись: «Arioc. Петр ведет вся стыя враi». На той же арке под хорами изображен и самый рай. Эти фрески относят ко времени построения собора, но русские надписи на них, по мнению знатоков палеографии, принадлежат к началу XVв., а поэтому предполагают, что живопись была реставрирована в конце XIV-XVвека русскими мастерами, именно знаменитым иконописцем Андреем Рублевым, расписывавшим в начале XVв. и Успенский Собор. Из древних икон в соборе замечательна икона св. Великомученика Дмитрия Солунского, по всей вероятности, копия с иконы, писанной при Всеволоде III. Внутри собора около одной из стен собора обращает на себя внимание памятник из белого каррарского мрамора над могилой графа Романа Ларионовича Воронцова, первого наместника Владимирской губернии, ум. В 1783 г. 30 ноября. Памятник сделан в Лондоне и украшает фигурой сетующей женщины, опирающейся на урну; внизу изображены: младенец и плеикан, как символ любви родителей к детям.
Изваянная группа стоит на пьедестале из белого и серого мрамора и окружена с трех сторон чугунной решеткой, украшенной гербом Князя Воронцова.
В ризнице собора до сих пор хранится жалованная грамота В. К. Василия Иоанновича. Эта грамота, писанная на пергаменте с подписью самого Князя, свидетельствует, что притч этого собора, как придворного пользовался веьсма многими привилегиями и правами.
В конце 19 века в соборе был устроен мозаиковый пол из разноцветного мрамора.