На алтарной преграде помещены праздничные композиции, на северной стене – сцены из книги Ветхого Завета «Товит». На других стенах и в своде трапезы – «Акафист» (дописан в 1830 гг.). В конхах алтарных апсид – композиции «О тебе радуется» и «Семь таинств», на стенах – вселенские святители, «Страсти Христовы», сцены жития Дмитрия Солунского, на западной стене – «Сказание об оклеветанном иерее» из сборника поучительных новелл «Великое зерцало». В стенописи Покровского придела (1697 г.) исследователи видят руку знаменщика Фёдора Фёдорова, а в стенописи ильинской паперти и двух шатровых приделов (1716−1717 гг.) различают два творческих почерка – Фёдора Игнатьева и Фёдора Фёдорова. Паперть Ильинской церкви представила, по мнению исследователей, самый широкий простор изобретательности и богословской эрудиции местных мастеров. В её тематику включены несколько иконографических циклов: ветхо- и новозаветный, эсхатологический, символико-дидактический, литературный и житийный. На двух склонах свода, начиная с северного колена, иллюстрирован Ветхий Завет: «Дни творения», «Грехопадение Адама и Евы», «Изгнание из рая», истории праведников из книг «Бытие» и «Исход», сцены из книг Ездры и «Товит». На своде Покровской паперти представлена «История Иисуса Навина и Гедеона». На внешних стенах-люнетах центрального храма иллюстрированы «Песнь Песней», «Суд над Христом» и «Страшный Суд». В тимпане северного портала – композиция «Предста царица» с предстоящими, в тимпане западном – «Сошествие Святого Духа», по сторонам – Христос и Богоматерь, сидящие на тронах. Между окнами паперти – назидательные сказания и чудесные видения из «Пролога», «Нового неба», «Великого зерцала». Особенно примечательными исследователи считают сказания «О Феофиле икономе», «О Козьме игумене», а также символико-дидактическая композиция «Апофеоз меча» из книги Лазаря Барановича «Меч духовный». В западном крыльце помещены сюжеты из «Откровения Иоанна Богослова» и молитвы «Отче наш». Славословие этой молитвы («Яко твоё есть царствие, и сила и слава твоя») иллюстрировано в своде крыльца. На фоне облаков в прихотливом и плавном ритме изображены основные персонажи небесной иерархии, прославляющие Святую Троицу. В центре композиции помещён глобус со знаками Зодиака. В своде северного крыльца большой историко-художественный интерес для исследователей представляет родословное древо Романовых («Род царствия благословится») с изображением 13 царей и царевичей династии Романовых, начиная с Михаила Фёдоровича и заканчивая внуком Петра I Великим князем Петром Алексеевичем. По богатству сюжетов, хорошей сохранности и высочайшему мастерству исполнения фрески Ильинской церкви давно признаны художественным памятником мирового уровня. Современный сооружению храма тябловый иконостас 1650 г., расписанный по серебряному полю травным узором, в 1696 г. был заменён новым шестиярусным резным позолоченным в стиле барокко. Резьбу иконостаса выполнил ярославский резчик Илья Якимов с товарищами. В декорацию иконостаса были введены архитектурные мотивы в виде резных колонок, украшенных виноградными гроздьями, кронштейнов и раскрепованных карнизов.