Впервые собор был расписан в 1109 году, однако от средневековых фресок остались лишь фрагменты купола и «Константин и Елена» в Мартирьевской паперти. Есть версия, что это изображение должно было стать основой для мозаики, так как выполнено сильно разбавленными красками. Фреска «Пантократор» в главном куполе была уничтожена в годы Великой Отечественной войны. Основная роспись сделана в XIX веке. В соборе три иконостаса. Из них наиболее известны главный (XV—XVI) и Рождественский (XIV—XVI, отдельные иконы — XIX век). Среди икон особо выделяются:
Икона Божией Матери «Знамение»
Евфимий Великий, Антоний Великий, Савва Освященный
София, Премудрость Божия (XV век). Находится в центральном иконостасе. Отличается большим символизмом даже по сравнению с иконами того же типа. Например, Премудрость в новгородской версии имеет красный цвет, означая жертву Христа.
Тихвинская икона Богородицы (XVI). Находится в Рождественском иконостасе. Эта икона находилась с новгородцами во время заключения Столбовского мира. Риза на иконе изготовлена по заказу царевны Софьи.
Центральный купол собора с голубем