Biserica "Sf. Dumitru" a fost ctitorită de domnitorul Petru Rareș, fiind construită între anii 1534-1535 în plan triconc, asemănător cu cel de la Biserica "Sf. Gheorghe" din Hârlău.

În anul 1809, a avut loc un incendiu care a afectat Biserica "Sf. Dumitru" şi turnul-clopotniţă, Biserica a fost restaurată în anul 1822 şi turnul în 1845. Deşi autorităţile habsburgice au intenţionat în jurul anului 1888 să restaureze Biserica „Sfântul Dumitru“, abia la mijlocul secolului al XX-lea (1948-1949), Comisiunea Monumentelor Istorice a inițiat lucrări de restaurare a bisericii, continuate în ultimele decenii.

Pictura murală a bisericii a fost degradată de trecerea timpului şi de intemperiile vremii. Între anii 1988-1990 s-a efectuat restaurarea acoperişului după un proiect al arhitectului Sergiu Luchian, lucrările fiind executate de o echipă condusă de Mihai Bradu, noul acoperiş păstrând în linii mari forma originală. După Revoluţia din decembrie 1989, s-au efectuat lucrări de restaurare a turlei şi exteriorului bisericii, încheiate în 1997.  Din acel an s-a trecut la restaurarea picturilor murale interioare de către profesorul universitar Nicolae Sava din Bucureşti, pictor restaurator, ajutat de 18 studenţi. Cu sprijinul financiar al doctorului Michael Ronette (român stabilit în America), care a suportat 80% din costurile lucrărilor, s-a finalizat repictarea bisericii în anul 2004.

Biserica are dimensiuni mari, cu o lungime exterioară de 35,10 metri, lungime interioară de 32 metri, lăţimea de 10 metri (fără abside) şi înălţimea până la cruce de 27 metri, având un soclu înalt şi de un profil foarte răspândit în secolul al XVI-lea. Are cinci contraforturi, două în colţurile pridvorului, două susţin absidele laterale şi unul mai mic sub ferestra altarului.

În exterior, biserica este înconjurată de un brâu din două rânduri de ocniţe de la partea superioară a faţadelor, are arcade oarbe oarbe pe absida altarului şi pe cele laterale şi ferestre şi portal cu ancadramente gotice. Deasupra uşii de intrare în stil gotic de pe zidul de sud, puţin mai la dreapta, se află o pisanie încadrată într-o ramă de baghete încrucişate la colţuri. Deasupra pisaniei se află un altorelief cu doi îngeraşi sculptaţi care ţin o cunună de frunze în interiorul căreia se află stema Moldovei, elemente ce aparţin stilului arhitectonic renascentist. Biserica a fost pictată în frescă pe exterior între anii 1537-1538, în prezent mai existând urme din vechea pictură pe faţada sudică (fragmente din Asediul Constantinopolului, Imnul Acatist şi Arborele lui Iesei) şi pe turlă (câţiva sfinţi cu aureolă în relief). Exteriorul a fost ulterior tencuit pe celelalte laturi.

În interior, biserica are altar, naos cu boltă moldovenească, peste care se înalţă turla, pronaos şi pridvor închis, cu trei ferestre mari în stil gotic spre vest. Ferestrele pronaosului sunt mai mici decât cele ale pridvorului şi tot în stil gotic. Turla octogonală aflată deasupra naosului este construită din cărămidă pe două baze: prima pătrată şi a doua stelată. Pe turlă se află firide alungite, patru ferestre dreptunghiulare mici dispuse în cele patru puncte cardinale, patru contraforturi mici şi două rânduri de ocniţe (unul deasupra arcadelor şi unul la baza stelată). Turla are decoraţii din cărămizi ceramice la partea superioară şi la arcadele oarbe.

Între pronaos şi naos a existat un zid despărţitor care a fost demolat, cu această ocazie fiind deteriorat şi tabloul votiv în care era reprezentat ctitorul Petru Rareş. Din tabloul votiv se mai disting portrele lui Petru Rareş, ale Doamnei Elena şi a doi copii. Pictura murală interioară în frescă din vremea construirii bisericii este foarte deteriorată, cea din pridvor şi pronaos fiind afectată de incendiul din secolul al XIX-lea, numai unele fresce din naos fiind bine conservate. În altar s-au mai păstrat frescele: Cina cea de taină, Împărtăşirea cu vin, Împărtăşirea cu pâine a Apostolilor şi Spălarea picioarelor. Pe pereţi se mai află grafite de la sfâşitul secolului al XVII-lea, unele în limba latină, provenite din timpul ocupaţiei polone de sub Ioan Sobieski (1691) - Hic fuit Teophilus, Rex in 1691 Ponicz şi unele în chirilică, a unui oarecare Ioan Zugravul (1596).


În pridvor şi în pronaos se află mai multe pietre de mormânt, dintre care una aparţine lui Bogdan, fiul lui Petru Rareş, mort în septembrie 1540, iar alta marelui vistiernic Toma, mort la 21 august 1543. Biserica a fost înzestrată cu valoroase odoare, dintre care multe au fost distruse sau s-au risipit. Au mai fost păstrate doar câteva cărţi liturgice în manuscris: un Octoih de la sfârşitul secolului al XVI-lea şi un Minei pentru lunile septembrie-decembrie, din secolul al XVI-lea, ambele predate muzeului bisericesc, precum şi un Evangheliar în limba slavonă din secolul al XVI-lea, dăruit Bisericii Cuvioasa Parascheva, azi dispărută. Pe lângă acestea, în altar se află o serie de obiecte de cult precum un epitaf (1763), un felon, un antimis sârbesc (1708), un tetraevanghel şi o evanghelie în limba română (1762).

În apropiere de biserică, la o distanţă de 30 metri spre sud-est, domnitorul Alexandru Lăpuşneanu, ginerele lui Petru Rareş, a construit între anii 1560-1561 un turn clopotniţă cu trei etaje şi cu ziduri de doi metri grosime. La baza turnului soclul din piatră cioplită este puţin ieşit în afară. Etajul al treilea are patru ferestre mari pe toate laturile. Turnul a fost modificat ulterior, adăugându-i-se în secolul al XIX-lea (în anul 1845, când a fost refăcut turnul după un incendiu) un nou etaj de forma unei turle cu baza octogonală, peste care se înalţă, pe opt colonete de lemn, vârful acoperişului. În prezent, turnul-clopotniţă are 40 metri înălţime, fiind cel mai înalt turn de biserică din Suceava. În decursul timpului, turnul a îndeplinit rosturi administrative complexe, el dominând prin înălţimea sa întreaga panoramă a oraşului atât în Evul Mediu, cât şi în epoca modernă. Construit pe o bază pătrată, el a fost întrebuinţat de pompierii suceveni între anii 1867-1910 ca turn de observaţie a încendiilor.

În anul 1809, turnul a fost avariat de un incendiu, fiind renovat abia în 1845. S-au efectuat lucrări de restaurare şi consolidare între anii 1948-1949 în urma cărora acoperişul turnului a revenit la forma originală. În urma unor măsurători efectuate în anul 1992 s-a constatat o înclinare a turnului, crucea din turn fiind deviată cu 12 centimetri faţă de verticală. În anul 1998, o altă măsurătoare stabilea că deviaţia crescuse la 17 metri. Cauza înclinării turnului este, în opinia specialiştilor Complexului Muzeal Bucovina, traficul auto intens din ultimii ani, această zonă fiind străbătută în subteran de o reţea de beciuri care amplifică trepidaţiile.

Rezultatele înclinării şi a infiltraţiilor au fost deplasarea terasei din colţul de sud-vest a turnului şi desprinderea tencuielii din cornişă. În prezent, la turnul-clopotniţă ar trebui să se desfăşoare noi lucrări de restaurare. Însă acestea au fost sistate de aproximativ doi ani din cauza lipsei de fonduri ceea ce face ca degradarea şi riscurile la care este supus turnul să fie din ce în ce mai mari. Un fapt care surprinde este inexistenţa indicatoarelor turistice spre acest obiectiv de mare valoare, nicăieri în Suceava nefiind întâlnită o tăbliţă care să indice „spre biserica Sfântul Dumitru”. 


Oare celor care administrează acest oraş le este atât de greu să pună în valoare comorile arhitectonice moştenite?