У правого клироса главного придела находится золотофонный, в византийском стиле, храмовый образ равноапостольного князя Владимира, изображённого в полный рост в красном княжеском плаще. В алтаре главного придела есть образ равноапостольного князя Владимира – копия с работы Виктора Михайловича Васнецова (написана к 900-летию Крещения Руси). На стене алтарной апсиды, расположена композиция «Евхаристия», копия росписи В.М. Васнецова во Владимирском соборе Киева. У левого клироса центрального придела помещается икона Божьей Матери «Скоропослушница», а также образ преподобного Сергия Радонежского. Почитаются также Тихвинская икона Божьей Матери (1800 г.), образ св. Иоанна Предтечи (XIX в.) и три иконы Николая Чудотворца: старинная «Дворищенская» с изображением Святой Троицы (Новозаветной) и 14 житийными клеймами, «Зарайская» (конец XVII – начало XVIII вв., иконописцы Оружейной палаты) и выполненный в реалистичной манере образ начала XIX в. в киоте в русском стиле. Две редчайшие минейные иконы были написаны для собора в 1860 гг. по заказу прихожанина, чиновника Министерства финансов В.М. Гомозова: «Собор русских святителей» (57 святых) и «Собор святых великих князей, княгинь и княжон» (47 лиц). В соборе также есть один из первых в Санкт-Петербурге образ преподобного Серафима с десятью клеймами работы иконописца А.И. Резцова (освящён 20 декабря 1903 г.). В нижнее клеймо с изображением коленопреклонённого преподобного вложена частица камня, на котором он стоял во время молитвы. В Никольском приделе храма находится образ Покрова Пресвятой Богородицы, написанный в 1898 г. как благословение Афонской кельи Иоанна Златоуста. В 1894 г. сооружена Голгофа, ставшая одной из первых в Санкт-Петербурге. С элементами модерна выполнены образы пророков Илии и Елисея, трёхсвечник на солее. Образ Спаса Нерукотворного, список чудотворной иконы из часовни в домике Петра I, находился в церкви равноапостольных Константина и Елены при институте св. Елены в приходе собора до её закрытия в начале 1918 г. В главном алтаре хранится крест-мощевик, вделанный в небольшой образ, бронзовая дарохранительница 1770 г. в виде храма с вертоградом и Гробом Господним в середине, ещё несколько мощевиков. Как ценная реликвия сберегается деревянный восьмиконечный крест, положенный под престол прежней Успенской церкви при её освящении. Елизаветинское Евангелие (1759 г.) выносится из алтаря только на Пасху, его оклад украшен финифтяными образами евангелистов, Николая Чудотворца, равноапостольного князя Владимира и благоверного князя Александра Невского, а также сценами Воскресения Христова. Большая ростовая икона благоверного князя Александра Невского (в Успенском приделе) была написана в годы гонений на церковь насельником Александро-Невской лавры архидиаконом Серафимом (Вавиловым) и освящена 16 ноября 1930 г. Центральное четырёхъярусное медное позолоченное паникадило весом около 250 кг приобретено в 1787 г. у купца Екима Одоевцева. В середине ХХ в. в собор поступил небольшой колокол, отлитый в 1648 г. на помин души князя Терентия Мышецкого «к Никольскому погосту» (современный Бокситогорский район Ленинградской области).