Интерьер собора сохранил крупнейший в мире ансамбль подлинных мозаик и фресок первой половины XI века, выполненных византийскими мастерами. Палитра мозаик насчитывает 177 оттенков. В древности мозаикой были выделены центральные купол и алтарь, где шло богослужение, все остальные участки храма украшала фреска. В зените купола располагается мозаика с изображением Христа Вседержителя вокруг Него представлены четыре архангела. Из них в мозаике сохранился лишь один — в голубых одеждах, остальные дописаны в XIX веке М. А. Врубелем масляными красками.