А.В. Прахов организовал в Киеве бригаду художников, большую часть которых пригласил из рисовальной школы Николая Ивановича Мурашко. Также по инициативе А.В. Прахова в нартексе церкви были установлены печи для поддержания оптимального температурно-влажностного режима. Освящение собора состоялось 29 мая 1889 г., после завершения ремонтно-реставрационных работ, о чём свидетельствует памятная мраморная доска, вмонтированная в стену аркосолия юго-западной паперти. Так, по словам А.В. Прахова, «для Киева была открыта новая страница его искусства самой блестящей эпохи… XII в. был едва известен» (Российский государственный исторический архив). В 1903 г. к 150-летию прославления Димитрия Ростовского росписи решили привести в порядок. Церковно-историческое и археологическое общество при Киевской духовной академии получило предложение «освидетельствовать обветшавшие фрески Киево-Кирилловской церкви и дать своё заключение в способе их реставрации». Комиссия в составе профессора Николая Ивановича Петрова и священника Климента Иоанникиевича Фоменко выяснила, что фрески ХII в. сохранились значительно лучше новейших росписей, которые и нуждались в возобновлении, закреплении и обновлении красок; древние фрески рекомендовано было не трогать и оберегать во время ремонта (на всякий случай члены общества составили детальный перечень всех древних фресок и их фрагментов). Тем не менее, по непонятным причинам фрески были записаны масляными красками, рисунок и сюжет были сохранены. С конца 1920 гг., когда в соборе собирались открыть музей, начали проводить планомерные исследовательские работы. В 1927 г. первую, не совсем удачную попытку открыть фрески из-под масляных записей, осуществил профессор Дмитрий Иосифович Киплик, заново раскрыв росписи Кирилло-Афанасиевского придела. В 1925–1927 гг. была произведена полная фотофиксация архитектуры и росписей храма (П. Негель, С. Аршеневский), проведены обмеры (профессор И.В. Моргилевский, А. Хаников), к изучению фресок и поздней живописи приступил Всеволод Михайлович Зуммер. В 1935 г. П.И. Юкин открыл несколько фресок: образ св. воина в центральном нефе, частично «Рождество Христово» и «Успение Пресвятой Богородицы», а также фигуры апостолов Петра и Павла (использованная им каустическая сода повредила фрески). После войны собор находился в аварийном состоянии, восстановление памятника продолжилось в 1949–1954 гг. Над реставрацией живописи работали Евгений Самойлович Мамолат, Лука Петрович Калениченко, Оксана Плющ, Леонид Григорьевич Тоцкий, Аркадий Марампольский и др. Реставраторы открыли коллекцию старинных орнаментов, в том числе на южной стене апсиды при выходе на площадку-балкон – неповреждённые орнаментальные росписи, расчистили фреску «Лоно Авраамово» (древняя графья позволила показать непропорциональность дописи и восстановить изначальные формы некоторых фресок), а также указали на индивидуальную манеру работы разных мастеров; было установлено, что фрески в общей сложности сохранились на площади 800 кв. м. С 1964 г. лучшие представители киевской реставрационной школы (П. Редько, А. Лисаневич, А. Остапчук, А. Ерко, В. Рыбчинский, А. Коваленко) начали планомерные работы по раскрытию, закреплению, сохранению и исследованию фресок.