Темы росписи определило посвящение храма празднику Успения Пресвятой Богородицы. Живопись второго сверху яруса на южной и северной стенах повествует о чудесном рождении Девы Марии и её детстве. Следующий ряд занимают иллюстрации Акафиста – гимна в честь Богоматери. Интересная особенность росписи – изображение Вселенских соборов в нижних ярусах стен. На западной стене храма традиционно расположена композиция Страшного суда.
Архитектура и стенопись храма призваны создать образ космоса. Своды собора символизируют небо, которое поддерживают столпы собора.
Главный вход в храм расположен со стороны соборной площади. Широкая лестница завершается порталом из трёх полукруглых арок. Вход в здание как бы охраняют архангел Михаил и ангел-хранитель. Выше в арки вписаны фигуры святых. Над ними – изображение Богоматери с Младенцем.
Собрание икон XI–XVII веков в Успенском соборе является одним из самых богатых в мире. Большинство их было написано в Москве для соборов XIV и XV веков, другие были привезены в Москву из древних городов в период собирания русских земель. Среди наиболее ценных икон собора – двусторонняя «Богоматерь Одигитрия» и «Святой Георгий», «Спас Ярое око», «Троица», два списка Владимирской иконы Божией Матери.
Перед иконостасом стоят моленные места царя, царицы и патриарха.
В храме находится так называемый Мономахов трон. «Трон» – это моленное место, созданное в 1551 году для царя Ивана Грозного. Его исполнителями были, как считают специалисты, новгородские резчики. Здесь представлены различные мотивы и приемы резьбы, когда-то широко распространенной на Руси. В основании помещены четыре круглые скульптуры – изображения фантастических хищных зверей. В двенадцати барельефах на стенках иллюстрировано «Сказание о князьях владимирских», повествующее о привозе на Русь из Византии царских регалий – шапки Мономаха, барм (парадного оплечья) и других предметов.
С 1326 года, когда в храме был погребён святитель Пётр, и до 1700 года собор служил усыпальницей предстоятелей Русской Церкви – митрополитов и патриархов. Всего в соборе девятнадцать гробниц, расположенных вдоль стен собора. Мощи московских чудотворцев Петра, Ионы, Филиппа и Ермогена покоятся в мощехранительницах. Это деревянные, украшенные металлическими пластинами раки.
Во время Отечественной войны 1812 года собор был разграблен наполеоновскими войсками. Из части серебра, отбитого у французов русскими казаками, была выкована великолепная люстра, которая сейчас висит в центре собора.
Древнейший памятник прикладного искусства в соборе – его южные двери, которые привезены в Москву из суздальского собора и относятся к началу XV века. На них золотом по чёрному лаку написаны двадцать изображений на библейские темы.
После октябрьского переворота Успенский собор был превращен в музей. Создавая его экспозицию, сотрудники постарались максимально сохранить его интерьер.
Богослужения в соборе,