Согласно сообщению Воскресенской летописи под 1212 г., «чюдно велми иже бе извну камень той около всея церкви резан» (ПСРЛ. Т. 7. С. 118). Резьба по белому камню драгоценной ризой покрывает главу и верхний ярус храма, основной объем «препоясан» широким резным фризом. 

Густая резьба и на арках порталов. Всего на фасадах Димитриевского собора размещается более 1 тыс. резных камней; из них во 2-м ярусе — 563 цельных резных камня: 98 рельефов перенесено с разобранных башен, 412 рельефов сохранилось от XII в., 53 вырезано в 1838 г. заново. Из числа рельефов XII в. более половины находится in situ (хронология рельефов определена С. М. Новаковской-Бухман и М. С. Гладкой). Рельефы расположены правильными рядами соответственно кладке. 

Скульптурное убранство Димитриевского собора принадлежит к уникальным явлениям мировой художественной культуры. В фасадной пластике средневековья неизвестны иные примеры сложных многоярусных ансамблей рельефов, связанных в единое целое внутренней логикой и композицией.

В первоначальном замысле скульптурного декора ведущей стала тема власти. Трижды в центральных закомарах изображен царь Давид на троне (до расчистки в 1974 г. надписи :«ДАВЪ» (Давид) над центральными рельефами Димитриевского собора бытовало мнение (Н. П. Кондаков, Н. В. Малицкий, Г. К. Вагнер), что здесь изображен царь Соломон). 

К трону царя-псалмопевца собирается вся тварь небесная и земная: ангелы и птицы, люди и звери, деревья и травы. На главном, зап. фасаде, над головой царя Давида парит ангел, возлагающий на него корону (сцена «Коронация Давида», по атрибуции Новаковской-Бухман - см. Царь Давид в рельефах Дмитриевского собора во Владимире). 

На зап. фасаде Давид изображен дважды: как царь и как герой в единоборстве со львом (прежде считалось, что это ветхозаветный Самсон). 

Др. рельеф относили к теме подвигов Геракла, позже было замечено, что такими изображениями в лицевых Псалтирях иллюстрируются повествования о Давиде, который в юности пас овец, защищая их от хищников (сцена «Погоня Давида с палицей за львом» — атрибуция Новаковской-Бухман). 2 рельефа зап. фасада по-прежнему считаются (В. П. Даркевич) изображениями Геракла (сцены охоты на лернейскую гидру (в виде птицы) и на стимфалийскую птицу).

Тему доброго правления продолжает образ царя Александра Великого Македонского. На юж. фасаде в вост. закомаре помещена композиция «Полет Александра» (атрибуция А. С. Уварова). Александр изображен сидящим в корзине, которую поднимают привязанные к ней хвостами грифоны. Грифоны тянутся за приманкой — фигурками барсов в поднятых руках Александра. Сверху к Александру слетают птицы. Среди известных в мировом искусстве сцен полета (вознесения) Александра Македонского только в композиции на Димитриевского собора изображены птицы.  (см. Македонский, как символ христианства на барельефах Дмитриевского собора)

На сев. фасаде симметрично этой композиции расположена большая скульптурная группа: восседающий на троне в княжеской одежде человек с отроком на левом колене, по сторонам от трона по 2 отрока в позе поклонения. 

По мнению Воронина и большинства исследователей, это храмоздатель Всеволод Большое Гнездо с сыновьями (первым предположение выдвинул прот. Косаткин). Кн. Всеволод в отличие от царя Давида представлен без короны.

Скульптурный портрет носит неофиц. характер, хотя к Всеволоду, сидящему в непринужденной позе, остальные персонажи композиции, его дети, обращены с ритуальным жестом приветствия, как обычно изображались на иконах предстоящие Христу или Богоматери святые. Одного из княжичей кн. Всеволод держит на руках (по Воронину, Всеволода—Димитрия). Вероятно, кн. Всеволод изображен на этой композиции как глава рода. Существуют варианты толкования композиции: «Богоматерь с Младенцем и предстоящими пастырями» (Кондаков), «Иосиф с братьями» (Ф. Кемпфер), «Давид с Соломоном» (А. М. Лидов), «Древо Иессеево» (Гладкая Тимпанные рельефные композиции собора св. Димитрия во Владимире). 

С рельефами на тему власти связаны сцены противоборства: человекодракон; Никита, побеждающий беса; лев, когтящий лань; вепрь, терзающий оленя; фигурки 2 борцов; львы с переплетенными шеями, гуси в такой же позе. На сев. фасаде между лап 2 львов с одной головой помещена человеческая личина: это «лев-антропофаг», символизирующий душу грешника в лапах диавола (по Даркевичу и Вагнеру). 

Древний аркатурно-колончатый пояс уцелел только в зап. прясле сев. фасада; узнаются образы первых рус. святых — князей Бориса и Глеба. 

Проч. колонки и фигуры святых вырезаны в основном в XIX в. Исключение составляют 13 колонок и неск. сидящих святых (зап. фасад), снятые с башен. Блоки с раскидистыми «древесами» под фигурами святых также переставлены с башен. Рельефы исполнены в графичной, декоративной манере. Рельефы XIX в. более примитивны. Здесь же, в колончатом поясе зап. фасада, находятся и рельефы XVIII в., отмеченные влиянием искусства эпохи барокко. К ним принадлежит «Св. Троица» с евангелистами (центральный участок аркатурно-колончатого фриза). 

Др. пояс составляет развернутый на юж. и зап. фасадах цикл и изображением 12 св. конных воинов, среди которых великомученики Георгий Чудотворец (с надписью), Феодор Тирон и Феодор Стратилат (атрибуция Вагнера), Димитрий Солунский (Гладкая видит здесь 2 изображения), св. князья Борис и Глеб (атрибуция В. А. Плугина). 

Поясные изображения святых представлены в медальонах и рамках, среди которых апостолы Петр и Павел на сев. фасаде (с надписями). Образы святых в аркатурном поясе, в медальонах, «всаднический цикл» раскрывают новозаветную тему.

Между колончатым поясом, вереницей всадников и рельефами царей с героями представлен весь тварный мир. Звери, птицы, деревья и травы внимают царю Давиду у подножия престола. Лев, барс, грифон, орел — метафоры царственности и покровительства. На фасадах насчитывается 125 крупных изображений льва. Лань и голубица — воплощенные смирение и кротость христианина. Также представлены изображения оленя, барана, онагра, кентавров, фазанов, павлинов, гусей. 

Густая «звериная» резьба гирляндами и фризами оплетает арки порталов. На юж. портале на спинах 2 львов восседает Давид (надпись над Давидом почти утрачена; долгое время считалось, что это Соломон). На сев. портале вырезан миниатюрный 3-фигурный Деисус с надписями. 

Пышная растительность в рельефах Димитриевского собора создает образ райского сада: лилия-крин, раскидистые древеса, иногда с птицами и зверями под их сенью, плодородная смоковница, побег виноградной лозы. На одном из рельефов представлено древо, растущее из головы Адама. 

Согласно апокрифу, из его ствола был сделан крест для Распятия Христа. Древовидные растения восходят к древнему образу Древа жизни. Пальмовидные деревья символизируют праведников. Нередки деревья в виде процветшего креста.  (Древовидные мотивы в резьбе Димитриевского собора во Владимире)

В пластической картине Димитриевского собора совр. исследователи видят образец устройства мира, преображенный мир, Небесный град, храм, описанный в Книге прор. Иезекииля райский сад. Пластическое богатство собора воспринимается как обращение к внутреннему миру человека, разговор о духовном смысле человеческой жизни.  (Гладкая М.С. Реставрация фасадной резьбы Дмитриевского собора в 1838–1839 гг.)

Кн. Е. Трубецкой в лекции «Умозрение в красках» отмечал, что эта «архитектура есть вместе с тем и проповедь…Она выражает собою тот новый мировой порядок и лад, где прекращается кровавая борьба за существование и вся тварь с человечеством во главе собирается во храм... Древнерусский храм в идее являет собою не только собор святых и ангелов, но собор всей твари… Во храме объединяют не стены и не архитектурные линии: храм не есть внешнее единство общего порядка, а живое целое, собранное воедино Духом любви… Тварь становится здесь сама храмом Божиим».

Смотри также и Гладкая М.С. Были ли изначально покрашены рельефы Дмитриевского собора во Владимире