Размещённые в аттике главного алтаря сцены «Сотворение мира», «Неверие Фомы», «Омовение ног», «Явление Христа апостолам по воскресении» соотносятся с росписями в плафонах «Святой Дух в окружении серафимов» и «Введение Первородного во вселенную» (Евр. 1:6), «Солнце, луна и звёзды. Ангелы», «Создатель благословляет Своё творение». Живописью покрыто пять плафонов в куполах. Плафон центрального купола площадью более 800 кв. м «Богородица во славе» выполнен К.П. Брюлловым, но из-за болезни мастера в августе 1848 г. закончен П.В. Басиным. Фигуры расположены по кругу. Летящие ангелы поддерживают гряды облаков с Богоматерью и со святыми, среди которых – небесные покровители членов правящей династии (лик Александра Невского чертами напоминает лик императора Петра I). Росписи в остальных четырёх плафонах, помещённых в ложных куполах, принадлежат П.В. Басину (два восточных) и Францу Николаевичу Риссу (два западных). Ф.Н. Риссом выполнено изображение преподобномученицы Февронии в юго-западном плафоне (в день её памяти родился император Николай I), а также росписи на сюжеты русской церковной истории, в частности, четыре сцены из Жития равноапостольного князя Владимира. П.В. Басин по картонам К.П. Брюллова в 1849–1852 гг. расписал барабан и паруса купола: изображения 12 апостолов, четырёх евангелистов и четыре композиции «Страсти Христовы» в пандативах («Лобзание Иуды», «Несение Креста», «Се Человек (Христос перед Пилатом)» и «Бичевание Христа»; две последних по собственным эскизам). Позднее часть их была переведена в мозаики. П.В. Басин выполнил наибольший объём монументальных работ: над южными дверями он написал огромную «Нагорную проповедь» (переписана им из-за плохой сохранности в 1854 г.), близкую по цветовой гамме к симметрично расположенному «Чудесному насыщению пятью хлебами» Евгения Александровича Плюшара, полностью расписал малые приделы: в левом приделе написал сюжеты из Жития Александра Невского, а также создал композицию на плафоне (к 16 июля 1851 г.) «Господь Вседержитель, несомый ангелами»; в правом приделе представил образы великомучеников Георгия и Димитрия Солунского, великомучениц Екатерины и Варвары; на плафоне (к 15 декабря 1851 г.) – «Вознесение Богородицы». По словам О. Монферрана, «весьма счастливо, что при разнообразии талантов художников в произведениях их господствует гармония». Росписи на темы книги Бытие (в западной части храма) выполнили Е.А. Плюшар, Николай Михайлович Алексеев, Фёдор Семёнович Завьялов, Пётр Михайлович Шамшин, Алексей Тарасович Марков, Карл Карлович Штейбен. Евангельский цикл (в восточной части) составляют четыре произведения Василия Кузьмича Шебуева в предалтарном пространстве: «Воскрешение сына вдовы наинской», «Спаситель благословляет детей», «Воскрешение Лазаря» и «Спаситель в доме Марфы и Марии»; шесть работ Н.М. Алексеева: «Исцеление слепорождённого», «Покаявшаяся грешница», «Исцеление расслабленного», «Христос спасает утопающего апостола Петра», «Брак в Кане Галилейской» и «Исцеление прокажённого»; «Притча о блудном сыне» и «Притча о милосердном самарянине» Василия Кондратьевича Сазонова; «Притча о семени и сеятеле» и «Притча о званых и незваных» А. Никитина.