Адріан Прахов у 1883 році представив свій детальний проєкт внутрішнього оздоблення, що включав креслення іконостасів, розробку стінописної частини, киворію та інших елементів. Однак, проєкт не був затверджений, і розробку доручили архітектору Володимиру Миколаєву. Після суперечки та звернення Прахова до Костянтина Побідоносцева, проєкти були передані на розгляд Імператорського російського археологічного товариства, яке врешті-решт підтримало проєкт Прахова як найбільш відповідний художній традиції та духовній атмосфері епохи хрещення Русі. У травні 1884 року проєкт був офіційно затверджений, а наступного року Адріан Прахов очолив усі роботи з внутрішнього оформлення собору.
Пошук митців та народження шедеврів
Очоливши роботи, Прахов розпочав пошук художників для виконання монументальних розписів. Залучити провідних майстрів виявилося непростим завданням. Василь Суриков та Василь Полнов відмовилися, а Михайло Врубель, хоч і був залучений, виконав лише частину орнаментів, а його ескізи виявилися занадто драматичними. Зрештою, до роботи були запрошені Віктор Васніцов, Михайло Нестеров, Павло Свядомський і Вільгельм Котрабінський. Саме Віктору Васніцову судилося створити головний художній образ Володимирського собору, присвятивши цьому проєкту майже 10 років свого життя.
Васніцов, наполягаючи на свободі творчості, вирушив до Італії для вивчення візантійського та ранньохристиянського мистецтва, відвідавши Рим, Флоренцію, Неаполь та Венецію. Повернувшись до Києва у 1885 році, він почав вивчати давньоруський монументальний живопис, зокрема орнаменти Софії Київської та Кирилівської церкви. Програма розписів, розроблена спільно з Праховим, базувалася на окремих сюжетах різних епох, поєднуючи візантійські та давньоруські елементи. Вже у вересні 1885 року Васніцов представив ескізи розписів центральної нави, а на початку 1886 року розпочав художнє виконання.
Центральне місце в розписах посідає образ Богоматері з немовлям, що вражає своєю колосальною постаттю та сяйвом. Цей образ, хоч і орієнтований на давні київські храми, відрізняється від традиційних типів, черпаючи натхнення з особистих спостережень художника. Заборостольна композиція «Євхаристія» також створена за зразком давніх зображень, але з авторськими змінами, що відповідають реалістичній манері живопису Васніцова. На пілонах вівтаря зображені архистратиги Михаїл і Гавриїл, а у верхньому ярусі – старозавітні пророки, зокрема Мойсей, чий образ нагадує скульптуру Мікеланджело.
«Усе, що зв'яже цю свободу, зашкодить справі» — Віктор Васніцов.
На північній стіні вівтаря представлено групу старозавітних праведників, серед яких цар Давид, Соломон, пророки Наум, Єремія та Ілля. У нижньому ярусі розміщено зображення святих Вселенської церкви, зокрема Василія Великого, Афанасія Олександрійського, Григорія Богослова, Іоана Златоуста, Климента Папи Римського та Миколая Мирлікійського. На південній стіні – Антоній та Феодосій Печерські. Стела головного вівтаря прикрашена мотивами ранньохристиянської символіки, зокрема 12 агнцями апостолів, хоча зображення Христа в образі агнця було заборонене ще шостим Вселенським собором.
Головний іконостас містить образи Богоматері, князя Володимира, Святої Ольги, Христа, Марії Магдалини та Олександра Невського. У царських вратах – Благовіщення та євангелісти. На пілонах зображено Стрітення, а на стовпах центральної частини – святі, князі Борис і Гліб, Нестор-літописець, князь Михайло Чернігівський та Андрій Боголюбський. Цикл із трьох композицій на хорах присвячений історії Адама і Єви до та після гріхопадіння, а плафон головного купола прикрашає образ Христа Пантократора, створений за зразком мозаїк Софії Київської.
Особливу увагу привертає композиція «Преддвер'я раю» на барабані центрального купола, яка зображує душі праведників біля райських воріт. Незважаючи на критику щодо відсутності аналогів у давній традиції, вона вражає своєю масштабністю та зворушливістю. На парусах купола розміщені зображення чотирьох євангелістів. Центральне місце в системі розписів посідають теми жертви та святості, що послідовно розкриваються від образу Богоматері до зображення Бога Отця та Святого Духа.
Тричі Васніцов звертався до образу князя Володимира: іконописне зображення в алтарній частині та дві масштабні історичні композиції – «Хрещення святого князя Володимира» та «Хрещення киян». Для образу князя Володимира художник використовував давні монети. Композиція «Страшний суд», розташована біля входу, вражає суворим обличчям Спасителя та символічними образами архангелів і грішників. Орнаментальні рамки, створені під враженням від давніх фресок і мозаїк, забезпечили цілісність художнього враження від усієї системи розписів, перетворивши стінопис на яскраве, святкове та єдине декоративне ціле.
Загалом, Віктор Васніцов працював над розписами Володимирського собору близько 10 років, створивши близько 3000 м² монументальних творів, понад 150 картонів та десятки ескізів. Значна частина цих робіт була придбана Павлом Третяковим для його галереї. Таким чином, інтер'єр Володимирського собору став унікальним художнім ансамблем, де візантійська традиція та традиція Київської Русі гармонійно поєдналися з мистецьким баченням кінця XIX століття.