Димитриевский собор принадлежит к традиционной для русского зодчества XII — нач. XIII в. архитектурному типу. Это небольшого размера 4-столпная, одноглавая 3-апсидная церковь с 3 продольными и 3 поперечными нефами. Ширина Димитриевского собора 14,8 м, общая длина 19,4 м, внутренняя высота 27,2 м, наружная высота до верха купола 29,65 м, вместе с крестом — более 34 м, толщина стен от 1,12 до 1, 23 м. Размер подкупольного пространства 5,3/5,35Ч5/5,04 м (по И. А. Столетову — 5,22Ч4,88 м). 

Величие собору придают совершенные пропорции. Его стройность не кажется хрупкой, а геометрическая четкость — сухой и скованной. На всю высоту поднимаются полуколонки и лопатки, переходящие в арки закомар, стену охватывает аркатурно-колончатый фриз, под которым выделяются глубокие ниши порталов. Над фризом прорезаны узкие высокие окна (для освещения пространства под сводами хор на зап. фасаде окна растесаны в нижнем ярусе). Кровля собора повторяет форму сводов. Над сводами, приподнятый на квадратном постаменте, возвышается цилиндрический барабан с 8 окнами, увенчанный шлемовидным куполом с крестом.

Порталы, аркатурно-колончатый фриз, простенки по сторонам окон, барабан покрыты резными рельефами. Белый плотный известняк, сочетающий прочность с пластичностью, позволил акцентировать резьбой конструктивные узлы и использовать плоскости стен для многофигурных сюжетных композиций. В древности камень собора был покрыт если не росписью, как аркатурно-колончатый фриз Успенского собора, то защитной известковой побелкой или обмазкой, возможно, разных колеров (ср. летописное выражение «извистью белити» 1194 г., относящееся к ремонту суздальского собора).

3-слойная кладка стен выполнена в полубутовой технике. Стены снаружи и изнутри облицованы белым камнем (см Белый камень белокаменных соборов). Пространство между наружной и внутренней облицовочными стенками заполнялось бутом (туфом, дробленым известняком) и заливалось известковым раствором с цемянкой и древесным углем. Забутовка и облицовочные стенки сложены без горизонтальной перевязки, но белокаменные квадры тщательно пригнаны друг к другу и скреплены тонкими швами раствора. Также сложены и крестчатые столбы. Лицевые размеры белокаменных блоков колеблются в пределах 34–45х40–65 см, в пилонах до 55х80 см. Арки и паруса также сложены из тесаных камней, своды — из пористого известкового туфа. Первоначально храм был покрыт по сводам свинцовыми листами, а шлемовидный купол — золоченой медью. Над капителями фасадных пилястр выступали водометы. Вероятно, они зажимались внешними, не уцелевшими обломами закомар, опиравшимися на капители полуколонн, как опираются на них внешние тяги архивольта портала. 

Крестово-купольный каркас здания был упрочен по периметру жесткой связью: на уровне пола хор в слое забутовки лежали дубовые брусья. Подобные брусья пересекали внутреннее пространство здания, перекрещиваясь в столбах. В отличие от др. белокаменных храмов, в Димитриевском соборе не обнаружено 2-го уровня связей в пятах подпружных арок. Цокольная часть ниже профилированного пояса имеет плинт — 2 ряда кладки, ныне скрытые под насыпным грунтом. Ленточные фундаменты глубиной до 1,2 м выступают с внешней стороны в виде платформы от 50–58 до 70 см. Как и др. фундаменты построек кн. Всеволода, они имеют ступенчатый профиль с расширением книзу.
Подкупольным столбам соответствуют наружные пилястры с мощными полуколоннами и лопатки на внутренних стенах.

Фасады разделяются пилястрами на прясла. 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 ок. 9 м, которая отмечена аркатурно-колончатым фризом, соответствующим положению хор. Над фризом стена тоньше (1,02 м), что позволило углубить профиль пилястр и закомар. Высота 2-го яруса сокращена на 1 м. Толщина стены в закомарах уменьшена до 0,97 м. Последний ярус — барабан на квадратном постаменте – также сокращен на 1 м, стены барабана утончены до 0,74 м. Угловыми пилястрами выявлен заметный наклон стен внутрь помещения. Эти приемы 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 спокойны и упруги, декоративным арочкам аркатурно-колончатого фриза на границе 2 тектонических зон придана напряженная подковообразная форма, высоко расположенные арки закомар вытянуты по вертикали в расчете на взгляд снизу. Резной убор органично слит с архитектурной формой.


Интерьер собора уцелел частично: хоры («восходние полати» в зап. трети здания) без парапета, фрески под хорами, 10 пар резных лежащих львов в пятах подпружных арок. Пол был выложен из поливных керамических плиток. Крест на куполе Димитриевского собора (обкладка из прорезных листов золоченой меди, натянутых на железный каркас) в 1957 г. был заменен новым (фрагменты древнего креста хранятся в ГВСМЗ). В 2002 г. копия 1957 г. помещена в экспозицию, а на куполе собора установлен новый крест по образцу прежнего (железный каркас с золоченой стальной обкладкой).

Утраченные в XIX в. галереи (шириной 3 м с завершениями килевидной формы) окружали Димитриевский собор с 3 сторон, закрывая сводами консоли и нижнюю часть колонок фриза. Сев. галерея строилась одновременно с возведением стен собора. С юж. стороны существовала самостоятельная белокаменная постройка, одновременная собору или более ранняя. В домонг. время она была разобрана, и на ее 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. Сев.-зап. угол пристроек представлял собой 2-ярусную башню, выступавшую за линию зап. фасада так, что на сев. фасаде башня имела 2 прясла. Внутри нее помещалась, вероятно, лестница на хоры собора; порог дверного проема этого перехода совпадал с уровнем пола хор. В юго-зап. пристройке в отличие от сев.-западной башня поднималась на 2 яруса лишь у зап. прясла юж. фасада, за его линию выступал 1-ярусный объем галереи.

Обмерный чертеж плана, сделанный до разрушения галерей (1836), показывает внешнюю стену юго-зап. пристройки утолщенной, что свидетельствует о наличии здесь внутристенной лестницы. На зап. фасаде галереи примыкали ко всем 3 пряслам; внутрь их выходили окна ниж. яруса. Такую композицию галерей и башен, также утраченных в XIX в., подтверждают отверстия в белокаменной кладке, расположенные на одной высоте на всех 3 фасадах. Это гнезда балок для кружал, на которые опирались при строительстве своды галерей. Сев.-зап. башню покрывали резные рельефы. Башни соединяли придворный храм с дворцом, крылья которого могли простираться и на юг, и на север. Юж. башня служила переходом на хоры храма из княжеских покоев. Юж. крыло дворца могло быть сложено из плинфы, что косвенно подтверждается найденными с юга от собора ее обломками; с сев. стороны мелкий белокаменный лом и щебень.

Судя по рисункам, запечатлевшим рельефы пристроек, и по сохранившейся резьбе, попавшей в кладку фасадов Димитриевского собора после сноса башен и галерей, они исполнены в манере, свойственной XIII в. Это могло быть связано с существованием в строительной дружине различных ремесленных групп, но вероятнее всего, пристройки возникли позже собора — сразу после пожара 1193 г. (Воронин. 1961. С. 423), либо в 1222–1225 гг., в период между сооружением Димитриевского собора и Рождественского собора в Суздале (Тимофеева. 1988. С. 205–206), или ок. 1220 г. (Новаковская. 1981. С. 50), либо после пожара 1229 г. (Столетов. 1975. С. 121), произведен по следам пожара.