В куполе изначально находилось «Вознесение Христа», в простенках барабана — фигуры апостолов, а на подпружных арках — 40 севастийских мучеников. Роспись алтарной части храма начиналась с образов Петра и Павла. Выше них располагалась композиция «Сретение», а триумфальная арка была украшена сценой «Благовещение». Строгая последовательность показа соблюдена в росписи полукупола центральной апсиды, где сверху вниз написаны «Богоматерь Оранта», «Евхаристия», «Поклонение жертве». Ниже в круглых медальонах помещены изображения наиболее почитаемых святых. По отдельным признакам можно утверждать, что в Кирилловской церкви изначально имелись монументальное панно «Успение Богоматери», небольшая картина «Рождество Христово», изображения святых воинов, четы византийских императоров Константина и Елены. В притворе когда-то располагалась композиция «Страшный суд», которая считается первым в русской живописи воссозданием этого библейского сюжета.
Хорошо сохранившиеся росписи на стенах южной апсиды иллюстрируют главные эпизоды из жизни святого Кирилла, в честь которого была возведена церковь. Особенно эффектно исполнена фреска «Святой Кирилл проповедует веру». Художник расположил вокруг главного героя второстепенных персонажей в светлых одеждах. Тяжелые и угловатые складки их одежды написаны так, чтобы фигуры выглядели более торжественными.
Очень крупные фигуры на фресках прекрасно согласуются с монументальными формами архитектуры. Если в Софийском соборе от пола до арок расположены четыре уровня изображений, то в Кирилловской церкви их всего три. Своеобразное размещение дает основание предположить, что здесь были написаны самые крупные в древнерусской живописи фигуры. Увеличенные до высоты 3 м, они четко выделяются светлыми силуэтами на синем фоне.
Другой мастер решил образы архидиаконов весьма оригинальным образом: белые, со складками одежды священников выделены красными, черными и коричневыми линиями. Возможно, именно его кистью создана фреска «Поклонение жертве» в главном алтаре. Согласно летописной записи, в храме существовал придел святых Бориса и Глеба. Художник, написавший Бориса в южной части подкупольного столба, несомненно, обучался у византийских живописцев.
Невинно убиенный князь смотрит прямо на зрителя, удивляя неповторимым рисунком глаз, знакомым по росписям Десятинной церкви и Софийского собора.
Четвертый художник работал в экспрессивной манере, резкими взмахами кисти, четко намечая угловатые, широкие пробелы. Пятому мастеру принадлежит часть росписи притвора, в частности композиция «Страшный суд» с образом ангела, свертывающего небо. Создатель сцены «Архангел Михаил, ведущий юного Иоанна Крестителя в пустыню» продолжил линию реалистичной иконописи, начало которой связано с именем художника Алимпия.
Освоив утонченную манеру письма, он сумел передать легкие, грациозные, воистину неземные движения героя. В его трактовке архангел, написанный на южной стене капеллы игумена, словно плывет по воздуху. Ритм складок белого гиматия, небрежно переброшенного через плечо, выполнен в технике линейной каллиграфии, использованной в мозаиках Михайловского собора.
В «Евхаристии» изящной линией очерчен силуэт Христа, одетого в яркие одежды: синий хитон и красный гиматий. С потрясающим мастерством написан апостол Павел. Прислуживающие Христу ангелы по цвету одеяний напоминают персонажи одноименной софийской фрески: розово-белые тона в одежде левого ангела согласуются с мерцающим серо-розовым колоритом наряда правого. Тем не менее эстетические идеалы кирилловских художников формировались под влиянием народной культуры. Местное влияние отразилось в особом понимании красоты и заинтересованности апокрифическим содержанием, то есть сюжетами, заимствованными из тайных книг. В композициях «Рождество Христово» и «Успение Богоматери» присутствуют непозволительные бытовые детали. Создавая красочные орнаменты, художник словно любуется сам и заставляет зрителя восхищаться своим творением.
Несмотря на русское авторство, фрески Кирилловской церкви выражают чужеземную манеру письма, причем не только византийскую. По обилию в композициях болгарских и солунских святых, по наличию медальонов с характерными обрамлениями можно сделать вывод о воздействии на киевское искусство культуры Македонии. Романские традиции наблюдаются в форме живописных зданий и, особенно, в человеческих фигурах — плоских, угловатых, лишенных динамики, отличающей работы киевских живописцев.