В марте 1149 г. император перевёз из базилики в Фессалонике в константинопольский монастырь Пантократора чудотворный покров с изображением великомученика Димитрия, а в 1158–1160 гг. послал несколько солунских святынь в дар княгине Евфросинии Полоцкой. Мать князя Всеволода также могла привезти с собой в качестве приданого частицу солунской святыни. Как императорское благословение перед возвращением на родину мог получить святыни великомученика Димитрия из солунской базилики и князь Всеволод. Добавление («сорочку того ж мученика ту же положи») к летописному тексту о мироточивой «доске гробной» позволяет исследователям предположить, что святыни попали во Владимир в разное время; дань особого поклонения великомученику Димитрию отдавал князь Юрий Долгорукий, назвавший в его честь город (Дмитров) и нарекший сына Всеволода, в крещении Димитрием. В Дмитриевском соборе «доска гробная» стала храмовым образом. Икона была помещена либо у юго-восточного столпа, либо в южной части алтарной преграды. После 1380 г. (как полагают исследователи, в 1390–1400 гг.) по повелению князя Дмитрия Донского её перенесли в Успенский собор Московского Кремля (ныне там же, под записью 1701 г. Кирилла Уланова). Другой, находящейся в Дмитриевском соборе святыней, была «сорочка» – часть одежды или ткани покрова с тела мученика, возможно, с его шитым образом. Если эта частица была достаточно мала, то оправой для неё мог служить ковчежец в виде храма, находящийся ныне в Оружейной палате Московского Кремля. По мнению исследователей, в храме могли быть и другие изображения великомученика Димитрия. В 1218 г. Полоцкий епископ Владимир «принесе» великому князю Константину Всеволодовичу «етеру часть от Страстии от Господень... и мощи святаго Логина мученика, сотника святей его руце обе, и мощи святыя Марья Магдалыни». Торжественным крестным ходом реликвии были перенесены в Дмитриевский собор (об их дальнейшей судьбе ничего не известно). В 1194–1196 гг. Дмитриевский собор (вместе с дворцом князя и Успенским собором с двором епископа) был окружён стеной детинца, занимавшего значительную территорию в юго-западной части Печернего (Среднего) города. С утратой Владимиром политической самостоятельности, а собором – княжеского статуса место княжеского двора занял воеводский двор, затем – провинциальная канцелярия. В 1238 г. Дмитриевский собор пережил татарское разорение, однако ещё в начале XVI в. числился великокняжеским. Сохранилась жалованная грамота 1515 г. (Владимиро-Суздальский музей-заповедник), данная Василием III Ивановичем соборному причту: «Се яз князь великий Василей Иванович всеа Русии пожаловал есми своих попов, что служат у моей у соборной церкви у Дмитрия святого в Володимере, внутри города, на моем дворе…» Во время пожара 1536 г. сгорела вся кровля Дмитриевского собора. Ремонт был проведён после поездки (1552 г.) в Казань Ивана Грозного, по дороге посетившего Владимир. По данным писцовой книги 1625/1626 г. храм находился просто «в городе». В грамоте середины XVI в. царя Ивана IV Васильевича о порядке поминания «владимирских» князей и владык попам и дьяконам Дмитриевского собора предписывалось служить вместе со всем городским духовенством: «...Петь вечерня, да всенощное, да обедням служить соборне» 23 ноября, на память князя Александра Невского, «18 панихид по князех и по владыках правити» в Успенском соборе и особо «пети панихида» во владимирском Георгиевском монастыре «по князе Федоре Ярославиче».