Первые пробные раскрытия древней живописи в соборе проводились в 1929 году реставратором П. И. Юкиным. Реставрационные работы были возобновлены только в 1970 году и продолжаются в настоящее время.
В ходе реставрации выяснилось, что в большинстве случаев запись XIX века довольно точно следует рисунку древней живописи. Поэтому уже сейчас, до полного раскрытия живописи, мы можем судить о системе декорации храма и отчасти о композиции отдельных сцен. Схема росписи верхней части собора вполне традиционна: в куполе - Спас Вседержитель, в простенках окон барабана - 8 праотцев в рост, в основании барабана - 12 круглых медальонов с полуфигурными изображениями родоначальников двенадцати колен израилевых, в парусах евангелисты. Ниже разворачивается так называемый протоевангельский цикл, содержащий сцены из жизни Богоматери, еще ниже идут иллюстрации Акафиста Богоматери. Все эти сцены читаются по ходу солнца, начинаясь на южной стене от иконостаса и делая несколько оборотов в центральном пространстве храма, а затем в его угловых помещениях. Такая система размещения сюжетов несколько напоминает систему росписи собора Ферапонтова монастыря. Тот же образец заставляет вспомнить и размещение в люнетах многофигурных композиций, прославляющих Богоматерь: "Успение Богоматери", "Покров", "О Тебе радуется". В целом в росписи Успенского собора почти безраздельно господствует тема Богоматери. Только в юго-западном помещении представлены немногие события земной жизни Христа.
Здесь же есть композиция, сюжетно не связанная с соседними и не входящая ни в какой цикл. Она изображает Царя Небесного на троне, у подножия которого лежат падшие ниц воины и стоят на коленях старец, юноша и жена в боярских одеждах. Это иллюстрация 44-го псалма, содержащего славословие Царю. Тематическая обособленность сцены подкрепляет предположение, впервые высказанное реставратором С. С. Чураковым, о том, что здесь перед нами семейный портрет заказчика росписи.
В северо-западном помещении собора - сцены "Страшного суда" и некоторые символические композиции, не совсем ясные по смыслу.
Судя по раскрытым участкам, стиль росписи отличается монументальностью и традиционностью. Здесь нет еще "ковровости" и некоторой измельченности композиций, характерных для более поздних памятников настенной живописи. Новшества в области иконографии и трактовки форм лишь в слабой степени затронули эту роспись. Благодаря высокому качеству письма и относительно хорошей сохранности стенные росписи Успенского собора после полного их раскрытия станут одним из центральных памятников русской монументальной живописи середины XVII века.
