Несколько фрагментов древних орнаментов найдено (1952 г.) во время работ под руководством Игоря Александровича Столетова в северо-западной и юго-восточной окнах барабана. Фрагменты подробно описаны Николаем Петровичем Сычёвым. В 1948–1950 гг. собор был почти полностью освобождён от живописи XIX в. Реставрация (конец XX – начало XXI вв.) монументальной живописи Дмитриевского собора была направлена на предотвращение разрушения красочного слоя древних фресок. Результаты технологического исследования росписи подтвердили предположение, что она исполнена на штукатурном основании с добавлением карбонатного наполнителя (дроблёный известняк и древесный уголь), а не цемянки, что типично для монументальной живописи Греции, Рима и крымских греческих колоний, в технике фреска а секко. В качестве пигментов использованы известковые белила, натуральный ультрамарин, киноварь, жёлтая и красная охры, зелёные земли, глауконит. Наиболее значительные по площади участки первоначальной росписи, расположенные на большом и малом сводах под хорами, входили в состав композиции «Страшный Суд». На северном и южном склонах свода центрального нефа изображены 12 сидящих апостолов (по шесть фигур на склоне), позади них – фигуры стоящих ангелов. На южном склоне (с запада на восток) представлены апостолы Пётр, Иоанн, Лука, Андрей, Иаков, Фома; на северном – апостолы Павел, Матфей, Марк, Симон, Варфоломей, Филипп. Центральная фигура Христа с предстоящими по сторонам Богоматерью и Иоанном Предтечей, некогда размещавшаяся в люнете западной стены над входом, не сохранилась. В малом (южном) своде храма уцелели изображения трубящих ангелов с надписями: «Англъ трубит в землю», «Англъ трубит в море», связанные с темой воскресения мёртвых (северный склон малого свода), композиции, посвящённые теме рая: «Шествие праведных жён в рай» (северный склон свода), «Богоматерь в раю», «Лоно Авраама, Исаака и Иакова» (южный склон свода), и фрагмент изображения благоразумного разбойника (стык южного склона малого свода и западной стены). Изображение (XIX в.) райских врат в люнете западной стены указывало на первоначальное местоположение аналогичной древней композиции, утраченной к началу реставрации росписи в 1843 г. До 1918 г. на внутренних лопатках западных столпов сохранялись изображения трубящих ангелов в рост, относящиеся к живописи XIX в., но, как полагают исследователи, повторявшие иконографию древних фресок. Размещение композиции «Страшный Суд» в западной части храма следует византийской иконографической традиции. Сохранившиеся фрагменты фресок позволяют исследователям реконструировать недостающие части первоначальной композиции, ориентированной на фигуру Христа, которая занимала центральный люнет западной стены. Так, в малом (северном) своде были представлены сцены, связанные с темой ада: «Ангелы гонят грешников в огненную реку», «Сатана с Иудой на коленях», «Мучения грешников» и др.