В соборе сумрачно. Потускневшие росписи словно впитывают скудный, пробивающийся из-под недосягаемо высокого купола свет. Раньше в соборе сверкали драгоценные оклады икон, золоченые паникадила, богатейшая утварь. А в своем нынешнем виде интерьер Софийского собора, как и его внешний облик, весьма далек от первоначального. Иконостас с иконами XIV–XVI веков, установленный позднее, нарушает единство внутреннего пространства. В древности на его месте было невысокая деревянная алтарная преграда – темплон, и интерьер собора выглядел более цельным. Во время Второй мировой войны иконостас собора, деревянные резные сени царского и митрополичьего мест были вывезены фашистами в Германию, но после войны их удалось отыскать и вернуть.
При раскопках в соборе и расчистке позднейших наслоений были обнаружены фрагменты древней мозаики из желтой, зеленой, коричневой и черной смальты. Мозаика украшала горнее место, предалтарные столбы, мозаикой была выложена часть пола.
Вереницы мощных столбов, подпирающих своды храма, покрыты живописью в красно-голубых тонах. Но эта роспись – поздняя, конца XIX столетия. От древней живописи в Новгородской Софии уцелело немногое. Законченный постройкой в 1050 году, собор более полувека стоял нерасписанным, и только в 1108 году сюда пришли мастера. В 1108–1109 годах собор был расписан. В 1829 и 1897–1900 годах живопись Софийского собора подверглась крайне неудачной реставрации, что привело к гибели большей части древних фресок. Огромный ущерб росписи собора был нанесен в результате военных действий в годы Великой Отечественной войны.
Под главным куполом собора был написан лик Христа Пантократора – Вседержителя. Легенда рассказывает, что живописцы, расписывавшие храм, хотели изобразить Спаса с благословляющей десницей. Но, написав так образ, они, придя утром в храм, всякий раз обнаруживали руку Господа со сжатыми перстами. Исправляли – а на следующий день то же самое… Приступив в четвертый раз к исправлению, живописцы неожиданно услышали глас: «Писари, о, писари! Не пишите Меня с благословляющей рукой, а пишите с рукой сжатой, ибо в этой руке я держу Великий Новгород, а когда рука моя распрострется, тогда Новгороду будет скончание». Это изображение Спаса-Вседержителя под центральным куполом собора, тщательно расчищенное из-под позднейших записей, было уничтожено в 1941 году от прямого попадания фашистского снаряда. Рука Спасителя разжалась, и Новгород был обращен в руины…
Храмовая икона Святой Софии, по преданию, была написана греческими мастерами. Св. София, т. е. воплощенная Премудрость Божия, изображена в виде ангела великого совета, «по словам пророческим». Другой святыней собора была древняя икона «Корсунская», изображающая Спасителя с Евангелием в руках.
Сегодня в Софии Новгородской можно увидеть лишь немногочисленные фрагменты живописи XI века, выполненной в лучших традициях константинопольской школы. Древнейшей сохранившейся иконой Софийского собора является икона «Петр и Павел», относящаяся к XI веку. А в иконостасе собора уцелело несколько икон, написанных в 1341 году греческими или сербскими иконописцами.
На хорах собора, в северном приделе, в нескольких помещениях располагалась богатейшая библиотека – Софийский собор был одним из главных книжных хранилищ Новгорода. Софийская библиотека особенно пополнилась при архиепископе Макарии в 30—40-х годах XVI века, когда по всем новгородским монастырям собирали и свозили в собор рукописные книги. Здесь на протяжении нескольких веков велось новгородское летописание. Здесь находилась одна из первых на Руси школ, в которой во времена Ярослава Мудрого обучалось триста детей.
На древней штукатурке стен собора и лестничной башни сохранились многочисленные надписи-граффити, процарапанные новгородцами в XI–XIII века. Среди них – молитвы, хроникальные записи о различных событиях церковной и политической жизни Новгорода, собственные автографы, шутливые надписи типа: «Якиме стоя, усне, и лоб о камень ростепе».
В Софийском соборе, в приделе Рождества Богоматери, погребены основатель собора князь Владимир Ярославич (ум. в 1050 г.) со своей супругой княгиней Александрой, князь Мстислав Храбрый – дед Александра Невского (ум. в 1180 г.), княгиня Ингигерда-Анна – жена Ярослава Мудрого (ум. в 1048 г.), Св. Никита Печерский, седьмой епископ Новгородский (ум. в 1108 г.), князь Федор Ярославич, брат Александра Невского. Здесь же погребены два первых епископа Новгорода: Иоаким Корсунский и Лука Жидята, строитель Софийского собора, а также сын Владимира Мономаха князь Изяслав. В приделе Иоанна Предтечи покоятся новгородский архиепископ Илья (в схиме Иоанн, ум. в 1185 г.) и его брат и преемник архиепископ Григорий (ум. в 1191 г.).