Внутри стены храма покрыты драгоценными росписями, созданными в 1680–1681 годах артелью костромских мастеров во главе с выдающимися художниками того времени Гурием Никитиным и Силой Савиным. В работе принимали участие и четыре местных, ярославских художника во главе с Дмитрием Семеновым. Эти грандиозные фрески дошли до наших дней в редкостной сохранности. Заказчицей стенной живописи храма была Улита Макарова, вдова Нифонтея Скрипина. Работая над росписями, мастера надеялись, что их «изографное воображение» будет давать людям «духовное наслаждение в вечные времена», и эти надежды их, надо сказать, оправдались с лихвой. Немеркнущие краски фресок Ильинской церкви и сейчас, спустя более чем триста лет после их создания, вызывают чувство радостного волнения.
Сплошной ковер многоцветных росписей придает храму впечатление нарядной узорчатости, почти сказочности. Живопись Ильинской церкви отличается большим разнообразием сюжетов, но при этом строго подчинена единому художественному замыслу. Фрески ярославских и костромских мастеров второй половины XVII века демонстрируют совершенно новую для древнерусской монументальной живописи повествовательную систему, уходящую корнями в работы мастеров Рима и Флоренции середины XVI века. Распространению западноевропейских художественных влияний на русское искусство способствовали и иноземные мастера Оружейной палаты – немцы, шведы, голландцы и поляки. Их приток в Москву резко усилился во времена правления Михаила Романова, в 1630–1640-е годы, и продолжался на протяжении всего XVII века. Голландские и немецкие живописцы, среди которых особо следует назвать Ганса Детерсона и Даниеля Вустерса, принесли в Россию традиции европейского маньеризма – художественного течения, непосредственно предшествовавшего барокко. Близкие художественные идеи проникали на Русь и через Украину. Большую роль сыграло появление на Руси так называемой «Библии Пескатора», богато иллюстрированной гравюрами голландских мастеров (первое издание – 1650 г., второе – 1674 г.), из которых ярославские и костромские живописцы черпали не только сюжеты, но и композиционные схемы. Тем не менее ни о каком переломе мировоззрения, ни о перемене вкусов русских мастеров говорить не приходится – речь идет об обогащении приемов древнерусской живописи, о творческой переработке новых веяний.
Росписи на стенах основного храма разбиты на шесть ярусов, из которых нижний – орнаментальный. На фресках западных столпов застыли огромные фигуры князей, облаченных в парадные одежды XVII века; позы их строги и статичны, а лики подчеркнуто индивидуальны, почти портретны. Своды и два верхних яруса расписаны крупными композициями на темы Евангелия. Следующий ряд посвящен деяниям апостолов. Непрерывной лентой разворачивается повествование, и глаз зрителя невольно следует за ним. Отдельные эпизоды Священной истории превращены мастерами в самостоятельные жанровые композиции. Традиционным для ярославско-костромской художественной школы является изображение библейских и евангельских сюжетов в образах окружавшей художников русской действительности. Волы запряжены в обыкновенную конскую упряжь, с хомутом – ведь художник никогда не бывал на юге… Персонажи Ветхого и Нового Завета – Каин и Авель, апостолы, жители древней Иудеи и Самарии – облачены в русские рубахи и сарафаны. Зато необычайно точно изображена мирная и поэтичная сцена жатвы, ставшая хрестоматийно известной, – уж здесь-то мастера знали, что изображали!
Галереи и Ризоположенский придел были расписаны ярославскими живописцами в 1682 году и частично дополнены в 1716 году. Эти росписи намного проще живописи основного храма и отчасти смахивают на народный лубок. Ризоположенский придел связан с реликвией, хранившейся в церкви Илии Пророка, – частицей Ризы Господней. Об истории обретения Ризы, о передаче реликвии царю Михаилу Федоровичу рассказывают сюжеты стенописи Ризоположенского придела. В его иконостасе находится икона «Положение Ризы Господней в Московском Успенском соборе» работы мастера Петра Костромитина. На иконе в традициях русских портретов-«парсун» изображены патриарх Филарет и царь Михаил Федорович.