Cea de a doua biserică avea dimensiuni mari (29 m lungime, 9 m lățime în zona absidelor laterale, 2,50 m grosimea zidurilor) și un plan triconc cu abside semicirculare, ea fiind compartimentată în altar, naos, pronaos și pridvor. Edificiul este suprapus parțial de actuala bisericã Sfântul Dumitru. Majoritatea istoricilor și arheologilor din perioada actuală (arhitectul Cristian Moisescu, Emil I. Emandi, Stela Cheptea, Paraschiva-Victoria Batariuc) consideră că acest lăcaș de cult a fost ctitorit de Ștefan cel Mare după victoria de la Codrul Cosminului din luptele cu polonezii din 1497, fiind invocată informația transmisă de cronicarul Grigore Ureche în letopisețul său: "Iară Ștefan vodă, după izbândă cu noroc ce au fost făcut la acest războiu, s-au întorsu înapoi la scaunul său, la Suceava, cu mare pohfală și laudă, ca un biruitoriu și au ziditu bisérica pre numele sfântului mucenicu Dimitrie, în târgu în Suceava, care trăiește și pănă astăzi. Zic unii să să fie arătat lui Ștefan vodă la acest războiu sfântul mucenicu Dimitrie, călare și într-armatu ca un viteazu, fiindu-i întru ajutoriu și dând vâlhvă oștii lui ci este de a și créderea, de vréme ce au zidit bisérică". De asemenea, în zidul absidei nordice a fost descoperită o lespede funerară fragmentarã, utilizată ca material de construcție al noii biserici, cu următoarea inscripție în limba slavonă: "„Acesta este mormântul panului Anton vameșul, care s-a săvârșit…în anul 6988 (1480), luna mai 30”". Descoperirea acestei lespezi funerare a fost considerată un element de datare a acestei biserici în prima jumătate a secolului al XVI-lea.