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.
Рельеф на фасаде Дмитриевского собора во Владимире
Весь собор сложен из белого известкового камня, привезенного из Волжской Болгарии.
Собор имеет вид правильного четырехугольника, продолговатые стороны которого обращены к северу и югу. Восточная алтарная сторона выступает тремя полукружками, из которых среднее больше других. Западная, северная и южная стены разделяются каждая на три части тонкими колонками, которые идут от самой земли до кровли, и, дугообразно соединяясь между собой, вверху образуют круглые кокошники, а в самых стенах впадины. Посредине стен, кругом всего собора, идет роскошный узорчатый пояс. Своды, опираясь на четырех внутренних столбах, поддерживают высокий купол (фонарь, трибун), увенчанный шлемообразной главой с медным резным четырехконечным крестом.
Рядом с Успенским собором, отделяясь от него только громадным трехэтажным каменным зданием (70 сажен длины и 10 сажен вышины) Присутственных мест, находится другой замечательный памятник русской старины — Дмитриевский собор.