Pod względem bogactwa wystroju wnętrza sobór zalicza się do najwspanialszych zabytków regionu, obok cerkwi św. Eliasza w Jarosławiu i cerkwi św. Jana Chrzciciela w Jarosławiu-Tołczkowie. Na wyposażeniu świątyni pozostaje największa w Rosji, trzymetrowa ikona Chrystusa, która mogła zostać napisana nawet w XV w.E. Dobrowolska, B. Gniedowski, Jarosławl, Tutajew, s. 222. Galerie zostały ozdobione freskami o tematyce starotestamentowej. Na ścianie południowej ukazano Adama i Ewę w Raju, w otoczeniu zwierząt, na tle idyllicznego krajobrazu. Na ścianie północnej znajduje się kompozycja przedstawiająca wyrzucenie proroka Jonasza do morzaE. Dobrowolska, B. Gniedowski, Jarosławl, Tutajew, ss. 219–220.. Na ścianie zachodniej ukazano potop i budowę Arki Noego, na wschodniej – budowanie Wieży Babel. Między większymi scenami biblijnymi przedstawiono mniejsze kompozycje (postać św. Eulogiusza, chrzest Włodzimierza Wielkiego).
We wnętrzu soboru znajdują się freski ze scenami z Ewangelii oraz, na ścianie zachodniej, ogromna kompozycja Sądu Ostatecznego, zaliczana do najefektowniejszych realizacji tego tematu w