Резьба по белому камню драгоценной ризой покрывает главу и верхний ярус храма, основной объём «препоясан» широким резным фризом. Густая резьба и на арках порталов. Всего на фасадах Дмитриевского собора размещается более 1 тыс. резных камней; из них во втором 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. больше половины находится in situ (хронология рельефов определена Светланой Михайловной Новаковской-Бухман и Магдалины Сергеевны Гладкой). Рельефы расположены правильными рядами соответственно кладке. Скульптурное убранство Дмитриевского 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 изображён царь Давид на троне (до расчистки в 1974 г. надписи: «ДАВЪ» (Давид) над центральными рельефами Дмитриевского собора бытовало мнение (Никодим Павлович Кондаков, Николай Владимирович Малицкий, Георгий Карлович Вагнер), что здесь изображён царь Соломон). К трону царя-псалмопевца собирается вся тварь небесная и земная: ангелы и птицы, люди и звери, деревья и травы. На главном, западном фасаде над головой царя Давида парит ангел, возлагающий на него корону (сцена «Коронация Давида», по атрибуции С.М. Новаковской-Бухман). На рельефе южного фасада на царя Давида нисходит Святой Дух в виде голубя. В руке у Давида свиток или скрижаль – он не только псалмопевец и пастырь, но и законодатель. На западном фасаде Давид изображён дважды: как царь и как герой в единоборстве со львом (прежде считалось, что это ветхозаветный Самсон). Другой 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 С.М. Новаковской-Бухман). Два рельефа западного фасада по-прежнему считаются (Владислав Петрович Даркевич) изображениями Геракла (сцены охоты на лернейскую гидру (в виде птицы) и на стимфалийскую птицу). Тему доброго правителя продолжает образ царя Александра Великого. На южном фасаде в восточной закомаре помещена композиция «Полёт Александра» (атрибуция Алексея Сергеевича Уварова). Александр изображён 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 полёта (вознесения) Александра Македонского только в композиции на Дмитриевском соборе изображены птицы. На северном 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 два отрока в позе поклонения. По мнению Н.Н. Воронина и большинства исследователей, это – храмоздатель Всеволод Большое Гнездо с сыновьями (первым предположение выдвинул протоиерей В.В. Косаткин).