Однако проект А.В. Прахова и его руководство работами получили поддержку Санкт-Петербургского археологического общества и министра внутренних дел, бывшего обер-прокурора Святейшего Синода графа Дмитрия Андреевича Толстого (министерством внутренних дел на украшение храма было выделено 200 тыс. руб.). К оформлению интерьера приступили в 1885 г. В работе принимали участие многие художники, однако ведущая роль в художественном решении интерьера храма принадлежала А.В. Прахову и Виктору Михайловичу Васнецову (см. ст. Васнецовы). Основное значение в оформлении храмового пространства приобрели живописные сюжеты и орнаменты, в цветовой пестроте и разнообразии которых растворяются конструктивные членения храма. Образцом для росписей В.М. Васнецову послужили византийские и русские сюжетные и иконографические мотивы. Его живопись стала выражением национального стиля, противопоставленного итальянизирующей академической церковной живописи. В характерные для творчества мастера былинные образы были привнесены впечатления от византийских памятников. Однако реалистическая основа и декоративность васнецовского стиля не могли раскрыть всю глубину и догматический смысл религиозных образов и понятий; это заставило художника усложнить содержание росписей, вносить в образы внешний психологизм, напряжённость и страстность, чуждые древнерусскому искусству. Программа храмового убранства строилась на идее увековечивания памяти равноапостольного князя Владимира, крестителя Руси. В системе росписей история России предстаёт как часть общечеловеческой истории, границы которой обозначены Днями творения (южный неф), Страшным Судом (западная стена) и помещёнными между ними сценами из земной жизни и Крестного страдания Иисуса Христа (боковые нефы, хоры и своды центрального нефа). Древняя история России нашла отражение в композициях «Крещение князя Владимира» (слева от западной двери, над боковым входом на лестницу) и «Крещение Руси» (справа от западной двери, над боковым входом в крещальню), в изображениях русских святых, духовных деятелей на пилонах центрального нефа (в выборе этих персонажей отражён преимущественно киевский период истории). Таким образом, собор князя Владимира – своеобразная благодарственная молитва Творцу, слава Которого утверждается через славу святой Руси. В подражание древним киевским храмам в конхе апсиды на золотом фоне помещены образ «Богоматери с Младенцем», ниже – композиция «Евхаристия». На боковых алтарных стенах изображены группы библейских пророков и русских святителей, на пилонах перед апсидой – двухчастные композиции «Благовещение» и «Сретение». Обширная галерея русских святых (князья равноапостольный Владимир Киевский, благоверные Александр Невский, Андрей Боголюбский, Михаил Черниговский, княгини равноапостольная Ольга, преподобные Евфросиния Полоцкая, Нестор-летописец и Алипий-иконописец) представляет разные формы подвижничества и духовного служения. На своде центрального нефа развёрнута трёхчастная композиция «Единородный Сыне – Слово Божие», основой которой стало составленное Фёдором Ивановичем Буслаевым описание иконы XVI в.