После перестройки 1528—1530 годов он оставался, видимо, нерасписанным, а в 1577 году пострадал от пожара. Новая роспись собора была предпринята в 1635—1636 годах. Она не раз «возобновлялась», то есть переписывалась, — в 1775, 1818 и 1850 годах; роспись западной стены была уничтожена полностью, а в остальных частях густо записана и остается нерасчищенной, и говорить о ее первоначальном содержании и характере нельзя. Видимо, она лучше сохранилась в верхних частях собора.
Стоит посмотреть сохранившиеся фрагменты фресок XVII века. Свод северного притвора занят темой прославления богородицы, которой посвящен собор.
Не переписанными остались здесь роспись левой половины северной стены — поясные фигуры апостолов в орнаментальных медальонах — и под ними декоративный пояс «завес» с орнаментом. Ту же тему похвалы богородице развивала роспись южного притвора. Ее подлинная незаписанная часть сохранилась на западной стене притвора внизу. Здесь хороши летящие ангелы с трубами и фигуры двух людей, забирающихся на деревья. На юго-западном подкупольном столбе сохранился в открытом виде фрагмент росписи 1635—1636 годов, оставленный «реставраторами» XIX века без прописи, но поновленный. Несколько фрагментов росписи XVII века сохранилось и в других местах основного помещения собора. Такова группа праведников из композиций «Страшного суда» на северной грани юго-западного столба и великолепные поясные изображения святых в больших медальонах на правой стороне алтарной апсиды. Из них особенно красиво изображение архидиакона Стефана в охристо-желтом, как бы сияющем круге, в белых одеждах, с зеленоватыми складками. Эти фрагменты позволяют говорить о большой монументальности росписи, ее строгом колорите, связи художников со старыми высокими традициями фресковой живописи.
В конце XVII века интерьер собора приобрел новый облик, в каком мы его видим теперь. По приказанию митрополита Иллариона были выломаны древние хоры и убраны скопившиеся под ними надгробные камни над могилами князей и епископов, которых было до сорока; ход на хоры был заложен и сломан второй этаж притвора; древние окна были расширены. Так древнее здание было безжалостно приспособлено к новым художественным вкусам.
Тем же Илларионом был сооружен в конце XVII века существующий в соборе иконостас. Он исполнен в духе старых традиций. Его архитектура проста, в ней еще нет ничего от характерной для поры конца XVII—XVIII веков пышности, когда едва ли не большую роль в иконостасе стали играть не иконы, а их роскошное обрамление. Иконостас Суздальского собора, одним из авторов которого был крупный художник «государев иконописец» Григорий Зиновьев, еще проникнут идущей от древнейших образцов строгой и ясной религиозно-политической идеей земной и небесной иерархии, соподчиненности мира верховной силе бога и земным властям. Замысел иконостаса очень прост и монументален. Он выглядит как гладкая стена, окованная золоченым серебром, на мерцающем фоне которого строго рисуются фигуры святых, почтительно склоненные в сторону центральной оси иконостаса, где помещено изображение Христа. Художники еще владеют мудрым искусством простой монументальной формы, мастерством силуэта, не измельченного деталями и многоцветностью красок. Зритель может охватить взглядом иконостас в его сложном целом лишь от западной стены, он сразу приковывает к себе его внимание. Живопись иконостаса поновлялась в конце XVIII века.
В XVI—XVII веках не только сам собор пережил крупные перестройки и изменения, но и вокруг него выросли новые монументальные здания, образующие его современный ансамбль.