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.