Значну художню цінність мають внутрішні настінні розписи, які виконали 1885–1896російські художники В. М. Васнецов, М. В. Нестеров, українські — В. Д. Замирайло, С. П. Костенко, М. К. Пимоненко, польські — П. О. Сведомський, В. О. Котарбінський, М. О. Врубель під загальним керівництвом професора А. В. Прахова.

В. Васнецову належить розпис головної нависобору, в якій, крім релігійних сюжетів, велике місце займали історичні композиції — «Хрещення Русі», «Хрещення Володимира», портрети канонізованих святих: Володимира, Андрія Боголюбського, Олександра Невського, княгині Ольги та ін. М. Нестеров виконав іконостаси в бокових навах, 2 композиції — «Різдво» і «Воскресіння» — на стінах хорів і «Богоявлення» в хрещальні. П. Сведомському належать композиції «Таємна вечеря», «В'їзд до Єрусалима», «Суд Пілата», В. Котарбинському — «Вознесіння» та ін. Орнамент, що вкриває вільний простір, виконали українські майстри, крім правої нави, яку розписав М. Врубель.