Иконы придельных иконостасов написали Козрое Дузи и Николай Аполлонович Майков. Нетрадиционно размещены иконы праздников в двадцати нишах на стенах храма, в мраморных, богато орнаментированных рамах, под которыми – филёнки бордового мрамора с выложенными золочёной бронзой текстами праздничных тропарей. Т.А. Неффу принадлежат иконы-картины: «Рождество Богородицы», «Сошествие Святого Духа на апостолов», «Вознесение Господне», «Введение Богородицы во храм», «Воздвижение Креста», «Спаситель посылает Свой образ Авгарю», «Покров Богородицы»; немецкий художник Карл Карлович Штейбен написал: «Распятие», «Положение во гроб», «Вход Господень в Иерусалим», «Воскресение Христово», «Святые Иоаким и Анна», «Рождество св. Иоанна Предтечи» и «Взятие на небо Богородицы»; из шести икон-картин профессора Флорентийской академии Чезаре Муссини сохранились «Крещение Господне», «Обрезание Господне» и «Сретение». Главенствующая роль в оформлении здания отведена живописи. Добиваясь принятия собственного проекта оформления собора, О. Монферран высказался против идеи Лео фон Кленце поручить художественные работы немецкому художнику Шрандорфу, который должен был выполнить их на медных вызолоченных досках в технике энкаустики. Полагая, что в России достаточно своих художников, «коим можно поручить важные работы с полной уверенностью, что оные произведены будут хороши» О. Монферран нашёл наиболее приемлемым применение французской техники масляной живописи по специальному грунту (на обработанные пемзой стены наносили тёплую воскомасляную мастику с добавлением свинцовых белил). Расписывали храм в 1841–1854 гг. 22 художника, преимущественно выпускники Академии Художеств, а также иностранные мастера. Из более чем 200 произведений живописи треть работ съёмные: иконы, написанные маслом на холсте, в том числе наряду с мозаиками из состава трёх иконостасов собора, а также картины, вставленные в ниши пилонов иконостасов. 17 ноября 1843 г. десять художников представили государю 74 эскиза росписей, из которых, в частности, он одобрил все работы Петра Васильевича Басина и ни одной – К.П. Брюллова. Монументальная живопись заполняет купол, простенки между окнами барабана, большие центральные и боковые своды, аттик над большим карнизом, четыре внутренних купола, не выраженных в наружной архитектуре здания. 12 произведений Фёдора Антоновича Бруни для Исаакиевского собора были высоко оценены современниками, О. Монферран сопоставлял его работы с росписями Сикстинской капеллы и византийским искусством. Плафонные росписи «Страшный Суд» и «Видение пророка Иезекииля» симметрично размещены в сложных по конфигурации плоскостях сводов. Центры обеих композиций акцентированы фигурами Спасителя и пророка Иезекииля, представленными в одинаковых позах, что обеспечивает ритмическую связь произведений. По тому же принципу расположены в аттике одна напротив другой работы Ф.А. Бруни «Потоп» и «Жертвоприношение Ноя после потопа». Они отличаются монохромностью в сравнении с яркими по цвету плафонными композициями на затемнённых сводах.