Собор расписали только в 1641 году. Об этом сообщает летописная надпись вязью, которая идет по южной, западной и северной стенам над ярусом полотенец: "Благоволением Отца поспешением Сына и совершением Святого Духа подписана бысть сия Святая соборная церковь Успения пресвятая Богородица лета 7149 от рождества Христова 1641 при державе благочестивого государя царя и великого князя Михаила Феодоровича всея Руссии и при сыне его при благоверном царевиче князе Алексее Михайловиче, при великом господине Варлааме митрополите Ростовском и Ярославском и при игумене Антоние строил по обещанию государя царя и великого князя Михаила Феодоровича всея Руссии диак Никифор Шипулин в славу и честь Троицы славимому Богу Отцу и Сыну и Святому Духу и Пречистой Богородице и всем Святым во веки аминь".
Так читалась в 1773 году надпись, ныне частично утраченная. Заказчик росписи Никифор Шипулин - заметная фигура в государственной администрации. В 1625 году он служил дьяком у патриарха Филарета, отца Михаила Федоровича, затем в различных приказах. Неоднократно выполнял ответственные поручения царя. Так, в 1633 году царь посылает его вместе с воеводами Дмитрием Черкасским и Дмитрием Пожарским под Смоленск на смену боярина Шеина. Деньги на подписание собора и папертей ( 500 рублей) Никифор внес еще в 1630 году. Через несколько лет после окончания росписи он постригся в Кирилло-Белозерском монастыре и после смерти был погребен на соборной паперти. Существует предположение, что Никифор Шипулин вместе со своим сыном изображен в росписи собора в композиции, иллюстрирующей один из псалмов. Действительно, здесь к трону Софии припадают старец и юноша, одетые в княжеские или боярские одежды. Подобных изображений нет на других иллюстрациях того же текста в русской живописи XVII века. Если предположение справедливо, то перед нами редкий для того времени пример прижизненного портрета.
Только в 1930 году, во время реставрационных работ, раскрыли окончание текста летописи: "Расписывали иконное стенное письмо Любим Агиев с товарищи". Любим Агиев, или Агеев - городовой царский иконописец из Костромы, один из лучших русских мастеров-стенописцев середины XVII века. В 1643 году он вместе с мастерами из разных городов расписывал Успенский собор Московского Кремля, будучи одним из четырех высокооплачиваемых иконописцев-знаменщиков.
Росписи 1641 года повредили в процессе ремонтных работ во второй половине XVIII века. Прикладки к аркам и столбам скрыли часть композиций, отчего нарушилась цельность некоторых тематических циклов, другие композиции оказались обезображенными новой кладкой. При растеске окон погибли расположенные на откосах фигуры Святых, пострадали и соседние композиции. Проемы, пробитые в западной и южной стене собора в связи с сооружением пристроек, также уничтожили часть композиций. После заделки широких трещин, образовавшихся к тому времени на стенах и сводах, белые полосы шпаклевок рассекли стенные росписи в разных направлениях. Стало неизбежным поновление росписей.
В 1838 году первоначальную живопись проолифили и покрыли слоем масляной записи довольно грубого письма. Поновителям пришлось по необходимости несколько изменять поврежденные композиции и дописывать поверхности прикладок. В таком виде росписи Успенского собора простояли до нашего времени.
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.
В 1554 году с северной стороны к собору пристроили придел Владимира. Это небольшой бесстолпный храмик, перекрытый своеобразной системой ступенчато повышающихся арочек. Такой тип перекрытия более всего известен по памятникам Пскова. В наружном декоре придел Владимира воспроизводил в миниатюре формы Успенского собора - те же три яруса кокошников, те же пояса узорчатой кладки. Стремление следовать местным образцам, в особенности образцу Успенского собора, вообще очень характерно для кирилловского строительства. Придел возвели над могилой Владимира Ивановича Воротынского на вклад его вдовы. В дальнейшем он стал родовой усыпальницей князей Воротынских.
