Оба названия башни встречаются в документах. В этих названиях сохранилась память о первой башне Нижегородского кремля, построенной в 1372 году (или в1374) князем Дмитрием Константиновичем, а также о Дмитриевской церкви, стоявшей перед ней на площади Верхнего посада вместе с кабаком и таможенной избой. В старину сюда подходили дороги на Москву и Казань, и это место послужило основой планировки города xvlll века с улицами, расходящимися по радиусам от Дмитриевской башни. Такое положение башни определило ее значение как опорного пункта обороны верхней части кремля. Она была укреплена значительно сильнее всех остальных башен, кроме Ивановской, игравшей ту же роль в нижней части кремля.
Перед башней, как и перед стенами, был устроен ров. В древности башни стояли в низине, куда со всех сторон стекала грунтовая и атмосферная вода. Через ров был перекинут каменный мост, соединявший главную башню с "отводной" - предмостным укреплением. Это был каменный бастион, обращенный углом в сторону поля, со своим рвом, через который проходили по подъемному мосту. Кроме такой сложной системы защиты ворот с Северной стороны, в углу между башней и стеной, во второй половине xvll века был сооружен "обруб" - площадка с земляными волами, где стояли артиллерийские орудия. Сама башня имела вид совершенно не похожий на современный: на нижнем кубическом основании возвышался небольшой объем, напоминая ярусное устройство Ивановской башни.
В таком виде укрепления простояли до конца xvlll века. Потеряв военное значение, они были сломаны, чтобы расчистить место на главной городской площади. Позже, в 1834 - 1837 гг., при устройстве бульваров вдоль кремлевских стен, площадь у башни была выровнена, к ее стенам подсыпана земля слоем около 6 метров. Нижний ярус башни целиком оказался под землёй, да и проезд через башню был засыпан метровым слоем земли. Башня стала ниже и приземистее, потеряв прежний внушительный вид. В 1895 году, когда Нижний Новгород готовился к проведению Всероссийской торгово-промышленной и художественной выставки, Дмитриевская башня была переоборудована под художественно-исторический музей. Проектировал его Н.Е.Султанов. Во втором ярусе была уменьшена толщина стен, на месте разобранных зубцов настроили стены и сделали новые зубцы. Верх башни получил уширение на консолях - машикулях, которые применялись в средневековых крепостях для устройства бойниц, откуда простреливалась подошва стен и, которых нигде не было в Нижегородском кремле. Совершенно чуждым кремлю оказался и стеклянный фонарь, возвышающимся под крытым железом шатром над зубцами башни.
После Великой Отечественной Войны, в 1951 году, в Дмитриевской башне была сменена прежняя деревянная конструкция стропил на новые металлические формы. В настоящее время башня приспособлена под выставочный зал.