Система росписи Софийского собора схожа с таковой в других храмах XVII века, украшенных фресками ярославских живописцев. Тематически содержание большинства сюжетов связано с именем Христа. Роспись подкупольного пространства традиционна для византийского и православного храма. Западная стена полностью посвящена Страшному суду, северная и южная стены, разбитые на горизонтальные пояса, расписаны сюжетами на евангельские темы. На столбах изображены мученики и благоверные князья.
В творчестве мастеров росписи Софийского собора прослеживается сочетание традиционного письма с освоением передовых эстетических принципов. Сюжеты изображаются в близкой своему времени обстановке. В пейзаж вводятся долины, озёра, рощи. На небе появляются облака, и в некоторых сюжетах они изображаются розовым цветом. Появляются изображения крепостных стен и домов. Присутствуют изображения коров, коней, свиней и других животных. Жестам, чертам лиц придаётся эмоциональная окраска.
Роспись основного куба
Иконографическая схема основного куба следовала образцу Успенского собора Московского кремля и Успенского собора Троице-Сергиевой лавры. В центральном куполе представлены Христос Вседержитель, в боковых куполах — Иоанн Предтеча, Богоматерь Знамение, Отечество и Спас Эммануил. На стенах барабанов изображены праотцы, на подпружных арках — апостолы. На сводах написаны праздники — Рождество Христово, Сретение, Богоявление, Вознесение, Воскресение, Успение богоматери, Благовещение, Рождество Богоматери и Преображение.
На столпах, расписанных в четыре яруса, изображены: мученики, воины, благоверные цари и князья.
На западной стене — Страшный суд. В верхних регистрах южной и северной стен — евангельские сюжеты, которые занимают два яруса, что характерно для росписи соборных храмов и монастырей в XVII—XVIII веках[22]. Ниже — сюжеты «о земной жизни» Богоматери, иллюстрации текстов богородичного акафиста.
Все сцены многофигурны. Изображения Богоматери и Христа в них мало выделяются, иногда отличаясь от человеческих фигур только нимбами. Лики, одежда передаются обобщённо, со сдержанными оживками и теневыми очертаниями. Колористическое решение росписи реализовано за счёт использования преимущественно золотисто-жёлтых, голубых, синих, коричнево-красных и зеленоватых цветов.
В самом нижнем регистре — «Вселенские соборы». Ещё ниже — летописная запись о росписи, а под ней — «убрус», имитирующий расшитую ткань.
Христос и грешница. Фрагмент росписи северной стены
| 
Исцеление бесноватого. Фрагмент росписи северной стены
| 
Изгнание торговцев из храма. Фрагмент росписи южной стены
| 
Михаил Тверской. Фрагмент росписи столба
|
Росписи входов и порталов
Южный портал — изображения двух ангелов и композиция «Неопалимая Купина» и выше фреска «Троица Новозаветная». На своде западного крыльца — редкая композиция «Древо апостольское».