Видимо, построенный в 1152 году храм в течение тридцати-сорока лет оставался нерасписанным. Его интерьер был таким же суровым и строгим, как и его внешний облик. Только цветные пятна икон алтарной преграды горели в сумрачном белом пространстве храма. Открытые в 1947 году фрагменты фресковой росписи церкви принадлежат, как полагает ряд исследователей, восьмидесятым годам XII века. Весьма вероятно, что роспись была сделана по распоряжению Всеволода III, желавшего почтить храм отцовской усадьбы и память своей матери-гречанки, принцессы из рода Комнинов. Последняя и изображена во фреске аркосолия северной стены в роскошных императорских одеждах рядом с фигурой св. Марии, соименной погребенной здесь вдове князя Бориса Юрьевича — Марии. Монументальные фигуры в малиново-красных одеждах четко рисуются на белом фоне в окружении пальм с красными плодами и деревьев с двумя павлинами, видимо, передающих райский сад. Очень интересно, что и стены на хорах, где во время богослужения находилась княжеская семья, были украшены исполненными в нежной розово-красной и фиолетовой гамме изображениями деревьев и птиц, то есть, видимо, того же рая, что являлось резким отходом от канонической системы росписи. Это влечение к цветистой орнаментике развилось в виденной нами росписи Суздальского собора XIII века. В алтарной апсиде раскопками открыт фресковый фриз из завес с желтыми складками и изображениями красно-коричневых семисвечников и деревьев и полукруглое каменное седалище для священников. Остальные фрагменты росписи расположены на южной и северной стенах около нового иконостаса. На северной стене особенно интересны орнаменты круглого медальона и граней лопатки (илл. 105). На южной уцелели части отдельных композиций, здесь хорошо видны фигуры двух всадников. По мнению одних исследователей, — это изображение Бориса и Глеба, но, вероятнее, что это фигуры скачущих волхвов (илл. 104). В росписи преобладают красновато-коричневые тона, определяющие ее сдержанную цветовую гамму.

Видимо, украшение храма Всеволодом III не ограничилось его росписью. При раскопках в алтарной апсиде были найдены обломки белокаменного надпрестольного кивория-сени, украшенного превосходной резьбой, ближайшим образом напоминающей резьбу плоских рельефов Димитриевского собора.

Остается неизвестным, как попадали на хоры Борисоглебской церкви: следов дверных проемов в стенах не сохранилось. Есть предположение, что ход на хоры был через вырез в их северном своде, по деревянной лестнице изнутри храма. Храм был придворным. Изучение топографии и поиски следов построек усадьбы Юрия Долгорукого и его сына Бориса является задачей будущих раскопок.