Христос оточений архангелами (духами, створеними Богом), що стоять з чотирьох сторін світу. У мозаїці зберігся архангел у голубому одязі; інших намалював Михайло Врубель олійними фарбами наприкінці XIX століття.
У простінках світлового барабана зображені дванадцять апостолів. Євангеліє в руках апостолів означає просвітлення ними народів словом Божим. З-поміж мозаїчних образів апостолів збереглася тільки верхня частина постаті святого Павла.
Нижче, на парусах (увігнутих трикутниках, які здійснюють перехід до барабана), зображені чотири євангелісти — Іван, Матвій, Марко й Лука. З них у мозаїці збереглося лише зображення святого Марка, який сидить на стільці перед розкритим Євангелієм.
На стовпах перед вівтарної арки знаходиться мозаїчна сцена "Благовіщення", ліворуч — постать архангела Гавриїла, праворуч — Діви Марії.
Архангел Гавриїл приніс Марії звістку про те, що вона має народити Сина Божого Ісуса Христа. Діва Марія зображена в одязі синього кольору з золотом на рукавах, у лівій руці вона тримає червону пряжу, а в правій — веретено. Гавриїл зображений в білому одязі з червоною лілією в лівій руці.
На всіх чотирьох арках знаходяться зображення 40 севастейських мучеників — римських воїнів, яких жорстоко покарали язичники за християнську віру.
У склепінні головного вівтаря — величне зображення Богоматері Оранти, тобто Заступниці людей, за яких вона молиться Богу. Вона перша і головна Молитовниця і Заступниця землі нашої і народу українського. Віками її шанували як захисницю Вітчизни, як Непорушну стіну, яку протягом століть ніхто зруйнувати не зміг. її молитовно підняті руки стали символом вічної молитви, яка несе людям віру, захист і надію.
Богоматір стоїть на золотавому камені як незламна фортеця Православ'я. І коли під променями світла, які падають на її золоте тло, виблискує і полум'яніє кожен кубик смальти, мозаїчне зображення Діви Марії справляє незабутнє враження своїми широко відкритими очима, все оточене яскравим сяйвом.Під Богоматір'ю Орантою розміщене мозаїчне зображення Євхаристії, де Христос причащає святих апостолів хлібом і вином, як Тілом своїм і Кров'ю. На Таємній вечері Ісус Христос установив Таїнство Євхаристії. Подаючи апостолам святий хліб, Він говорив: "Їжте, це — Тіло Моє, що за вас віддається на відпущення гріхів". А подаючи чашу з вином, говорив: "Пийте з неї всі, це є Кров Моя Нового Заповіту, що за вас і багатьох проливається на відпущення гріхів". Причащаючись, віруючі єднаються з Богом.
У сцені Євхаристії посередині зображено святий престол, по обидва боки якого стоять ангели в білому одязі з золотими віялами. Біля ангелів — два лики Спасителя, в золотому і блакитному одязі. До Спасителя, який стоїть ліворуч, підходять шість апостолів у шанобливих позах з простягнутими до святих тайн долонями. Христос подає їм святий хліб. З протилежного боку до Спасителя підходять інші шість апостолів, і Він подає їм чашу.
Під сценою Євхаристії зображено Святительський чин — образи святих отців Церкви, які словом і ділом сприяли перемозі християнства над язичництвом. У постатях святих отців показано спокійну твердість духу, впевнену силу. Їх зображено в архієрейському вбранні, в лівій руці вони тримають Євангеліє, правою благословляють віруючих.
Усі мозаїки собору виконано на сяючому золотому тлі. Вони характеризуються багатством фарб, яскравістю і насиченістю тонів. При всій кольоровій різноманітності мозаїк переважають синій і сіро-білий тони в сполученні з пурпуровим. Кожен колір має багато відтінків.
Мозаїки головного купола і вівтаря храму гармонійно поєднуються з фресковими розписами, які збереглися в усіх давніх приміщеннях собору.
У центральному підкупольному просторі є ряд сцен, які розповідають про діяння Ісуса Христа, про поширення християнства: "Зішестя Христа в пекло", "Відречення Петра", "Розп'яття", "Відіслання апостолів на проповідь" і заключна сцена всього євангельського циклу — "Зішестя Святого Духа".
У бокових вівтарях ми бачимо цикли фрескових композицій, що розповідають про Діву Марію і її батьків та про діяння апостола Петра.
Фрески південного вівтаря (Михайлівського) присвячені архангелу Михаїлу, який вважався покровителем Києва і князівського війська — дружини. Архангел Михаїл після відновлення незалежності України знову став гербом міста Києва.
Північний вівтар присвячений святому Георгію — духовному патрону Ярослава Мудрого.
Весь ансамбль малярства Софії Київської за своїм змістом підпорядкований єдиному задуму — утвердженню християнської релігії. Разом з тим розпис головного храму держави повинен був показати велич Київської Русі, її міжнародне значення, роль київського князівського дому в політичному житті Європи. Тому в Софії значне місце відведено світським композиціям.
У центрі, навпроти головного вівтаря, на трьох стінах розміщувалась композиція, яка зображала князя Ярослава Мудрого з дружиною, синами та дочками, що рухались до центральної постаті Христа, біля якої стояли князь Володимир і княгиня Ольга — засновники християнства в Київській Русі.
Від цієї композиції збереглися чотири постаті на південній стіні і дві — на північній. Тут Ярослав — будівничий міста і засновник храму — виступав як продовжувач справи своєї прабаби Ольги та батька Володимира, які багато зробили для об'єднання слов'янських земель та встановлення рівноправних відносин з Візантією й іншими країнами.
Члени сім'ї Ярослава також відігравали значну роль у політичному житті Європи: дружина князя була дочкою шведського короля, два його сини були одружені з візантійськими принцесами, дочки були королевами Франції, Норвегії, Угорщини.
Світська тема продовжується у фресковому розпису двох сходових веж собору (південної і північної). Фрески веж розповідають про важливу політичну і культурну подію в житті Київської Русі середини X століття — про приїзд до столиці Візантії Київської княгині Ольги. Фрески північної вежі розповідають про урочистий в'їзд Ольги до Константинополя. На верхньому майданчику сходів збереглася велика композиція "Княгиня Ольга на прийомі у імператора Візантії Константина Багрянородного". Ліворуч — імператор, який сидить на троні, та два охоронці. Праворуч, у центрі, зображено княгиню Ольгу, поруч — жінки з її почту.
Головною композицією південної вежі є фреска "Іподром", що розповідає про другий прийом княгині імператором — на константинопольському іподромі, де вона була свідком кінних змагань. У верхній частині вежі добре збереглося зображення палацу іподрому, де розташувалися глядачі. В імператорській ложі сидить імператор Константан і поруч — княгиня Ольга у світлому одязі, зі складеними на грудях руками. На стінах обох веж добре видно різні сцени полювання, театральні, циркові видовища, зокрема Полювання на ведмедя", "Боротьба ряджених", "Музикант".