Роспись храма была осуществлена артелью владимирских живописцев под руководством Н.М. Софонова в период 1896 – 1899 гг. Ростовая фреска с образом строителя Святой Софии святого князя Владимира Ярославича находится над ракой с его мощами в малом нефе к югу от входа в лестничную башню. Князь изображен с моделью храма Святой Софии, выполненной в современном для тех художников виде - с Алексеевским крестом на западной стене собора. Хотя этот рисунок хронологически «не историчен», все же, благодаря этой фреске, сохранился еще один облик храма, выполненный в живописной технике.