Оскільки архитектурні форми й конструкції київської Софії були справжнім обявленням для сучасників, то її м а л я р с ь к а і різьбарська декорація вповні їм дорівнювала. До нас вона збереглася тільки в мізерних останках, але ще чужоземні подорожники XVI і XVII ст. (Верещинський, Гайденштайн, Алепський) не могли надивуватися її красі та роскоші. Софійські мозаїки, фрески та різьби знищили не тільки воєнні завірюхи, пожежі та зуб часу, але, і що найгірше, несвідомість людей, що в добрій вірі, бралися їх «обновляти». Збереглися необновленими тільки непомітні шматки фресків у самій церкві й на стінах веж та декотрі з мозаїкових партій головної бані, побідного лука та пресвітерії. Первісно ціле нутро Софії було покрите мозаїками, фресками і різьбленими в ріжні узори плитами.
В 1848 р. відкрито в Софії фрески з часів Ярослава, що їх при обнові за Могили забілено. Зараз таки їх «обновлено трудами старця їринарха, братії та о. Жовтоноського», й тільки фрески на стовбах головної апсиди закриті тоді іконостасом, та фрески Михайлівського приділу спаслися від тої «обнови». В 1885 р. відкрито мозаїки в головній бані та на стовбах побідного лука — Христа Пантократора, Архангела, погруддя апостола Павла та Богородиці й арх. Гариїла в сцені Благовіщення. Мозаїчні зображення пресвітерії т. зв. Нерушимої Стіни, тобто Богородиці-Оранти, Евхаристії і галєрії отців церкви, були відслонені давніше. Збереглися теж зображення Деісуса на самому побідному луці, первосвященника Арона й пятнацять медальонів з циклю Сорока Мучеників, на підбанних арках. Тоді, як головні партії катедри (головна баня, побідний лук і пресвітерія) були покриті мозаїками, всю решту займали фрески, здебільша вже нині попсовані.
Чотири бокові апсиди були розмальовані «житіями» Богородиці, Михайла, Петра та Юрія. Стіни головної нави були покриті сценами зі Старого і Нового Заповіту. Решту стін і стовбів покривали поодиничні постаті святців, у весь ріст, в погруддях та медальонах. В цілому задержаний канонічний розподіл сцен і постатей, що вже усталився був у візантійському стінописі.
Крім релігійних зображень, збереглися в Софії ще й світські. Стіни наріжних машт Софії покриті циклем картин (понад 130 фігур), що зображують життя-буття княжого двора, а саме воєнні виправи, лови, сміховинні представлення скоморохів й т. п. В головній наві катедри, де тепер бачимо... Софію-мученицю з дочками, був колись збірний портрет родини князя Ярослава, що його старався відтворити сучасний український маляр Федір Кричевський.
Досліджуючи київо-софійські мозаїки, дійшли історики-візантіністи до переконання, що так розподіл картин, так і типи постатий як і стиль композицій — суто візантійські; вони теж найшли місце софійським мозаїкам поміж мозаїками XI ст. манастиря Луки в Фокиді, Дафні в Аттиці й манастиря Неа Моні на острові Хіос. «Софійські мозаїки —-каже дослідник Н. Сичев — виконані не одним майстром, а гуртком мистців. В цьому гурті були першорядні мистці й другорядні майстри. Перші з них дали твори скінченої досконалости, другі дали слабші, наче нерішені форми зображень. Працею одного, мабуть головного мистця, є частина вівтарного фризу святців, а в першу чергу зображення Лаврентія, Василя Великого та Йвана Золотоустого. Обличчя Лаврентія, це без сумніву сірійсько-гелєністичний портрет, близький до мозаїчних портретів з VI ст. у Сан Віталє в Равенні. Неменче портретні й голови Василя Великого та Йвана Золотоустого, проникнуті глибокою психольогією. Блеск красок, ясних і ярких, що переливаються ніжними, голубо-зеленими відтінками в півтонах і рожевими в світлах, читкість конструкції форми й незвичайна вмілість в укладанні самої мозаїки, кажуть бачити в авторі цих подивугідних портретів майстра, що вийшов з першорядної, мистецької школи».
Найправдоподібніше творці софійських мозаїк і фресків походили з самого Царгороду, або в ньому добували собі мистецької освіти.
