Для росписи первопрестольного храма привлекались лучшие мастера. На алтарной преграде сохранились древнейшие фрески Московского Кремля — изображения монахов-подвижников, исполненные в 1481 году артелью великого иконописца Дионисия. Современный облик собора определяют росписи 1642-1643 гг. (над ними работала группа из 150 художников во главе с царскими изографами Иваном и Борисом Паисеиными и Сидором Поспеевым) и грандиозный иконостас 1653 г., созданный по инициативе Патриарха Никона. Темы росписи определило посвящение храма празднику Успения Пресвятой Богородицы. Живопись второго сверху яруса на южной и северной стенах повествует о чудесном рождении Девы Марии и Ее детстве. Следующий ряд занимают иллюстрации Акафиста — гимна в честь Богоматери. Интересная особенность росписи — изображение Вселенских Соборов в нижних ярусах стен. На западной стене храма традиционно расположена композиция Страшного Суда. Архитектура и стенопись храма создают образ космоса, где своды символизируют небо, несомое столпами собора. Как правило, на столпах помещают изображения мучеников, которые своей жизнью и мученической смертью поддерживают Церковь так же, как столпы несут свод. Собрание икон XI-XVII вв. в Успенском соборе является одним из самых богатых в мире. Большинство их было написано в Москве для соборов XIV и XV вв., другие были привезены в Москву из древних городов в период собирания русских земель. Среди наиболее ценных икон собора — двусторонняя «Богоматерь Одигитрия» и «Святой Георгий», «Спас Ярое око», «Троица», два списка Владимирской иконы Божией Матери, храмовый образ «Успение», «Предста Царица», «Апостолы Петр и Павел», «Митрополит Петр в житии» и многие другие. Перед иконостасом стоят моленные места царя, царицы и патриарха. Особый интерес представляет так называемый «Мономахов трон» — моленное место, созданное в 1551 году для царя Ивана Грозного.