Споруджений за часів князювання сина Ярослава Мудрого Ізяслава бл. 1062. Названий на честь його небесного патрона – Дмитра Солунського. Знаходився південніше Михайлівського Золотоверхого собору, поблизу Дмитрівського яру, що спускався до Хрещатицької долини (садиба будинків по вул. Трьохсвятительській, 4 і 4-а). Щодо собору і монастиря в науці тривають дискусії. Відомо, що в Дмитріївському монастирі син Ізяслава Ярополк почав будувати муровану церкву св. Петра, де і був сам похований 1087. За літописом, у 1128 печерські ченці захопили церкву св. Дмитра та "неправедно" перейменували її на св. Петра. Не виключено, що обидві літописні згадки відносяться до одного храму. М.К. Картер вважав, що Д. с.- це Михайлівський Золотоверхий. На території колишнього Града Ізяслава – Святополка у XVIII-XIX ст. знаходили рештки кількох давньоруських мурованих споруд проте точних відомостей про конкретне місцезнаходження чи план майже не залишилось.
Споруду Д. с. розкопано О.С. Анненковим у 1838. Частково вона фіксувалася під час прокладання траншей у 1936 та 1980. Являла собою шестистовпний триапсидний храм довжиною бл. 28 м і шириною 19,5 м. З північного та південного заходу до собору прилягали прибудови – імовірно, хрещальня та сходова вежа. Можливо, з двох боків було розміщено галереї. Фундаменти стрічкові, складені з бутового каменю на цем’янковому розчині, глибиною 1,2 м. Стіни викладено в змішаній техніці кладки. Знайдено чимало фрагментів фрескового розпису та мозаїки. Саме Д. с. належать знамениті різьблені шиферні плити із зображенням святих вершників.