Впервые Успенский собор был расписан в 1513-1515 гг. В 1642-1643 гг. эту роспись сбили со штукатуркой, предварительно сняв «переводы», и артель из 150 художников во главе с царскими изографами Иваном и Борисом Паисеиными и Сидором Поспеевым выполнила существующую стенопись.

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.

Роспись Успенского собора отличается продуманностью, ясностью построения. В главах помещены различные образы Бога, верхние части стен занимают иллюстрации Евангелия, их расположение соответствует последовательности богослужений в течение года. В двух следующих ярусах помещены Житие Богоматери и иллюстрации посвященного ей торжественного гимна – Акафиста. В нижнем ряду написаны изображения семи Вселенских соборов. На западной стене помещена огромная композиция Страшный суд . На круглых столпах написаны многочисленные фигуры мучеников.

В конце XIX - начале ХХ веков при реставрации собора в алтаре и на алтарной преграде было открыто несколько фресок рубежа XV-XVI вв., тогда же связанных исследователями с творчеством крупнейшего художника этого времени Дионисия - изображения преподобных на алтарной преграде, композиции Семь спящих отроков Эфесских , Сорок севастийских мучеников , Поклонение волхвов и другие.