В соборе сохранилось сравнительно немного древних фресковых росписей, отражающих различные этапы украшения здания. Общепринято считать, что впервые собор расписывался в 1109 г., хотя, возможно, росписи середины XI в. до нас не дошли. Украшался первоначально собор лишь отдельными «иконными фресками», а большая часть стен оставалась открытой. Поновлення росписей производились в 1144 и в 1195 гг., но последние поновлення производились в XIX в. От XII в. сохранились только фрагменты росписи центрального купола и композиция «Константин и Елена» в средней части южной галереи Мартирьевской паперти. Знаменитая фреска «Пантократор» в главном куполе погибла во время войны от попадания в нее немецкого снаряда. Во время одного из авианалетов с центрального купола также был сбит знаменитый крест со свинцовым голубем, позднее снятый немцами. С фигурой голубя — символом Святого Духа, связана целая легенда, уходящая в историю жестокой расправы Ивана Грозного (1570 г.) над жителями Новгорода. Она повествует, что однажды на крест Святой Софии сел голубь, но, взглянув вниз и увидев страшное побоище, окаменел от ужаса. Позднее Богородица открыла одному из монахов в видении, что голубь послан в утешение пострадавшему граду, и пока он не слетит с креста, город им будет храним. Новгородская святыня, крест, был вывезен оккупантами в Испанию, но в 2004 г. возвращен в собор, где и почитается теперь. На куполе установлен новый золоченый крест с нерушимым символом города.
Главный вход собора с XV в. украшают уникальные Магдебургские ворота в романском стиле с большим количеством горельефов — блестящий образец западноевропейской работы. Происхождение их имеет множество версий. По одной из них, они изготовлены в 1153 г. в Магдебурге и первоначально предназначались для собора в Полоцке. По другой — являются военным трофеем новгородцев, взявших в 1187 г. шведскую столицу Сигту-ну. До 1570 г. в соборе находилась еще одна реликвия, Васильевские врата, вывезенные Иваном Грозным в Александровскую слободу. Выполненные в технике золотой наводки, этот уникальный памятник тоже сохранился в бывшем центре опричнины.
Главными святынями собора являются его чудотворные иконы, древнейшая из которых, «Святые апостолы Петр и Павел», относится к XI в. В иконостасе сохранилось несколько икон XIV в., написанных греческими мастерами. Но самым известным новгородским образом является икона Пресвятой Богородицы «Знамение», связанная с величайшим чудом в истории города. В 1170 г. соединенные войска князя Суздальского Андрея Боголюб-ского с дружинами Полоцкого, Рязанского и Муромского княжеств осадили Новгород. Жители не ждали милости от врагов и лишь надеялись на чудо, моля о заступничестве Всемилостивого Спаса и Пресвятую Богородицу. Однажды первому новгородскому архиепископу Иоанну было видение, чтобы он забрал из церкви Святого Спаса на Ильиной улице икону Пресвятой Богородицы и отнес ее на крепостную стену «против супостатов». Так он и поступил, но когда вражеская стрела попала в драгоценный образ, из глаз Девы выкатилась слеза. Тут святой Иоанн воскликнул: «О дивное чудо! Как из сухого дерева текут слезы? Ты даешь нам Знамение, что сим образом молишься пред Сыном Твоим и Богом об избавлении града!» И скоро страшная тьма покрыла врагов, на них напал такой страх, что они в смятении побежали, поражая друг друга. Тогда новгородцы открыли крепостные ворота и бросились добивать отступающих суздальцев. В память этого события было установлено в Новгороде празднование Знамения Пресвятой Богородицы. На иконе сохранились лишь позднейшие поновления XVI–XVII вв. Икона двухсторонняя, на лицевой стороне изображена по пояс Богоматерь с простертыми к небу руками, а на груди у Нее в круге Богомладенец. Такой тип композиции относится к очень древним временам, а на Руси примером может служить мозаика Оранты («Молящаяся») в Киевской Софии. На обороте иконы изображен апостол Петр и мученица Наталия, предстоящие перед Христом. С иконой связано множество чудотворений в истории города, почитаемой во все времена главной святыней. Алексей Михайлович украсил ее драгоценным окладом, и множество даров и вкладов было сделано ей. В конце XIX в. она была украшена несметными сокровищами, лишь одно перечисление их повергает в изумление: на иконе находилось 2062 бриллианта, 326 бриллиантовых роз, 173 зерна жемчуга, 31 изумруд и яхонт, 9 рубинов, 6 сапфиров и 38 алмазов.