Собор украшен фресками середины XVI века. Их появление связано с восстановительными работами после пожара 1547 года. На протяжении веков они несколько раз поновлялись. Впервые фрески были раскрыты из-под поздних записей в 1980-1984 годах и представляют самый ранний комплекс среди росписей кремлевских памятников. Кроме традиционных композиций на стенах присутствуют уникальные для того времени образы и сцены, иллюстрирующие "Апокалипсис" и "Древо Иессеево".

Иллюстрации "Апокалипсиса", древнейшей из евангельских книг, занимают северную, южную и западную стены четверика собора, а также своды под хорами. Традиционная композиция "Страшный Суд" на западной стене входит в этот же ряд.

"Древо Иессеево", представляющее родословное древо Христа на основе библейских текстов, составляет смысловой центр росписи северо-западной галереи. Уникальной особенностью этой композиции явилось обилие фигур и иконография античных философов: Вергилия, Гомера, Плутарха.

В систему росписей включены образы византийских императоров в четверике на столбах и русских князей как в галерее на пилястрах, так и в четверике на столбах.

Над входом в северную галерею собора находится фресковое изображение "Спаса Нерукотворного". Среди композиций западной галереи - "Троица".