Реставраторы сняли пять пластов записей: самый древний из них принадлежал к ХII в., а поздний – к ХIХ в. Благодаря их работе была пересмотрена история возобновлений храма, переосмыслен художественный уровень живописи и дана новая стилистическая оценка памятнику. Живопись ХIХ в. (масло, общая площадь – около 2000 кв. м) выполнена преподавателями и учениками Киевской рисовальной школы Н.И. Мурашко. Выявленный в 2008 г. архив А.В. Прахова позволил исследователям дополнить сведения об участниках основного объёма живописных работ 1883–1884 гг., а также дал возможность определить авторов отдельных композиций. В центральном куполе по аналогии с церквами великомученика Георгия в Старой Ладоге (около 1167 г.), Спаса Преображения на Нередице близ Великого Новгорода (1199 г.) и Преображенским собором Мирожского монастыря в Пскове (рубеж 1130 и 1140 гг.) была выполнена сцена «Вознесение Христа в сонме ангелов»; автор – Иван Фёдорович Селезнёв (атрибуцию подтвердила монограмма, обнаруженная во время реставрации 2006 г.). И.Ф. Селезнёву также принадлежит образ Божьей Матери «Оранта» в конхе главной апсиды и, по мнению исследователей, изображения в арке центральной апсиды (Спаситель, архангелы Михаил и Гавриил). В южном нефе собора, на западной стене, отделяющей центральную часть собора от второго этажа, на хорах размещена композиция «Крещение Иисуса Христа», написанная Харитоном Платоновичем Платоновым. Согласно письму А.В. Прахова заведующему Церковно-археологическим музеем при Киевской духовной академии профессору Н.И. Петрову, чтобы воссоздать этот сюжет в стиле ХII в., Х.П. Платонов использовал в качестве образца миниатюру из Никомидийского Евангелия ХII – начала ХIII вв. (Институт рукописей Национальной библиотеки Украины имени В.И. Вернадского). Несмотря на наличие древнего прототипа, Х.П. Платонов выполнил композицию в живописных традициях ХIХ в. Сцена, обрамлённая изображением парных колонн с узлом (мотив, присутствующий во фресках ХII в.), воспринимается исследователями как салонная картина. Два погрудных изображения ангелов на втором этаже по обе стороны центрального свода хор принадлежат С.З. Гайдуку. Образ Божьей Матери в апсиде княжеской молельни на хорах приписывают Ивану Сидоровичу Ижакевичу. На основании воспоминаний художника В.И. Ульяновский предположил, что апостол Пётр и соответственно вся композиция «Шествие праведников в рай» на северной стене нартекса также принадлежит его кисти. Фресковую композицию «Рождество Христово» поновлял масляными красками Николай Корнильевич Пимоненко. На западной стене центрального нефа Михаил Сергеевич Климанов написал «Рождество Пресвятой Богородицы» и «Введение Пресвятой Богородицы во храм». В воспоминаниях Н.И. Мурашко называет также ряд своих учеников, работавших в соборе: Валериана Иосифовича Отмара, А.А. Шалашного, Ивана Петровича Егорычева, Сергея Петровича Костенко, Виктора Дмитриевича Замирайло (какие именно работы они выполнили, исследователям неизвестно). Благодаря тем же воспоминаниям исследователям известны фамилии нескольких молодых украинских художников, которые в ХIХ в. работали в соборе, – И.Ф. Селезнёв, Николай Васильевич Глоба, Фёдор Степанович Зозулин, И.С. Ижакевич, С.П. Костенко, Е.А. Косяченко, Х.П. Платонов, М.С. Климанов, С.З. Гайдук.