В 1884 г. А.В. Прахов для написания икон иконостаса пригласил студента Императорской Академии Художеств Михаила Александровича Врубеля, который также выполнил в храме несколько настенных композиций и некоторое время помогал ученикам школы Н.И. Мурашко; делал прорисовки ликов и целых сюжетов, исправлял неточности, дописывал и переписывал отдельные работы, во многих не атрибутированных М.А. Врубелю изображениях исследователи видят его живописную манеру. Первая его монументальная работа в соборе – изображение архангела Гавриила, выполненное по древней графье на западном пилоне северного столба триумфальной арки для сцены «Благовещение Пресвятой Богородицы». Образцом для художника стала икона Божьей Матери «Благовещение Устюжское» (начало ХII в., Третьяковская галерея). На северной и южной стенах М.А. Врубель выполнил композицию «Вход Господень в Иерусалим» (под южной частью княжеской молельни) и дополнил частично сохранившиеся фрески ХII в. «Успение Пресвятой Богородицы»; ему помогал в этих работах Ф.С. Зозулин. В композиции «Успение Пресвятой Богородицы» изображение Божьей Матери скрыто крышкой гроба, расположенного вертикально и украшенного белыми лилиями; рядом – коленопреклонённые апостолы. Несоответствие как древнему рисунку, так и иконографическому канону исследователи объясняют перестройкой северного портала церкви – он был расширен и увеличен в высоту, что не позволило повторить композицию ХII в. Во время раскрытия древней живописи большая часть врубелевской росписи была уничтожена. Несмотря на переосвящение главного престола собора в ХVII в. во имя Святой Троицы, соответствующей композиции в соборе не было. На своде западной части хор М.А. Врубелем была написана композиция «Сошествие Святого Духа на апостолов», которая занимает весь свод хор. Исследователям известно, что придел Святого Духа в ХVII в. размещался в северной части нартекса, в месте, где находились погребения родителей и сестёр Димитрия Ростовского. Исследователи полагают, что это стало одной из причин, по которой А.В. Прахов предложил М.А. Врубелю написать именно этот сюжет на свободном от древней живописи пространстве свода хор. Композиция выполнена по аналогии с изображениями на чеканном складне византийской работы (ХII в.) и в росписи церкви Рождества Пресвятой Богородицы Гелатского монастыря в Грузии (ХII в.). М.А. Врубель использовал технику, имитирующую мозаику, – прерывистый, пастозный мазок. В фигурах апостолов ощущается могучая, но в то же время благородно-сдержанная экспрессия: они словно высечены из мрамора, объёмность подчёркивает вогнутая полуциркульная поверхность свода. Лики выразительные, огромные глаза и мимика передают сложное, напряжённое эмоциональное состояние. Необычайны по красоте колористической гаммы одежды святых. Так, общий белый фон хитонов переливается разноцветной перламутровой палитрой. Некоторые изображения портретны, в них узнают современников художника: в облике Богородицы находят черты фельдшерицы М.Ф. Ершовой (присматривала за часто болеющей супругой А.В. Прахова – Эмилией Львовной Праховой), апостол Марк напоминает археолога Виктора Ивановича Гошкевича, апостол Матфей – священника Петра Орловского, апостол Иаков – А.В. Прахова; второй апостол справа от Богородицы – «портрет» протоиерея П.Г. Лебединцева; в облике апостола Луки есть сходство с М.А. Врубелем; завершается композиция изображением Царя-Космоса.