Полуциркульные подпружные арки, соединяющие столбы друг с другом и со стенами, задали форму коробовых сводов, которые образуют на фасадах спокойную линию закомар. Работа конструкции выражается на фасаде плавным сокращением ярусов. Нижний ярус с развитым цокольным профилем, несущий статическую тяжесть каменных масс и сдерживающий силы горизонтального распора подпружных арок и сводов (прежде всего, по осям столбов), поднимается на высоту около 9 м, где проходит аркатурно-колончатый фриз, соответствующий положению хор. Над фризом стена тоньше (1,02 м), что позволило углубить профиль пилястр и закомар. Высота второго яруса сокращена на 1 м. Толщина стены в закомарах уменьшена до 0,97 м. Последний ярус (барабан на квадратном постаменте) также сокращён на 1 м, стены барабана утончены до 0,74 м. Угловыми пилястрами выявлен заметный наклон стен внутрь помещения. Эти приёмы и пропорции порождают ощущение плавного, ритмично восходящего движения. Взаимосвязь конструктивной логики здания и его декорации проявляется в выборе форм ведущего архитектурного мотива – арки. В порталах арки спокойные и упругие, декоративным арочкам аркатурно-колончатого фриза на границе двух тектонических зон придана напряжённая подковообразная форма, высоко расположенные арки закомар вытянуты по вертикали в расчёте на взгляд снизу. Резной убор органично слит с архитектурной формой. Интерьер собора уцелел частично: хоры («восходние полати» в западной части здания) без парапета, фрески под хорами, десять пар резных лежащих львов в пятах подпружных арок. Пол был выложен поливными керамическими плитками. Крест на куполе Дмитриевского собора (обкладка из прорезных листов золочёной меди, натянутых на железный каркас) в 1957 г. был заменён новым (фрагменты древнего креста хранятся в Государственном Владимиро-Суздальском музее-заповеднике). В 2002 г. копия 1957 г. помещена в экспозицию, а на куполе собора установлен новый крест по образцу прежнего (железный каркас с золочёной стальной обкладкой). Утраченные в XIX в. галереи (шириной 3 м с завершениями килевидной формы) окружали Дмитриевский собор с трёх сторон, закрывая сводами консоли и нижнюю часть колонок фриза. Северная галерея строилась одновременно с возведением стен собора. С южной стороны существовала самостоятельная белокаменная постройка, одновременная собору или более ранняя. В домонгольское время она была разобрана, и на её месте сооружена галерея. Своды галерей, примыкающие к центральным пряслам, огибали архивольты порталов, не повреждая их. Стены и перекрытия пристроек не имели перевязи с кладкой собора, а были приложены к ней. Северо-западный угол пристроек представлял собой двухъярусную башню, выступавшую за линию западного фасада так, что на северном фасаде башня имела два прясла. Внутри её помещалась, как полагают исследователи, лестница на хоры собора; порог дверного проёма этого перехода совпадал с уровнем пола хор. В юго-западной пристройке в отличие от северо-западной башня поднималась на два яруса лишь у западного прясла южного фасада, за его линию выступал одноярусный объём галереи.