Роспись храма является чрезвычайно трудоемким и продолжительным процессом, включающим подготовительные работы - расчет площадей, подборку материалов, планировку композиции, обработку стен и, собственно, само написание священных изображений.

По благословению митрополита Астанайского и Казахстанского Александра главный храм Казахстана расписывала артель изографов из города Палех (Россия, Ивановская область) под руководством члена Союза художников России В.К. Курилова. Благодаря его мастерству и таланту были расписаны стены возрождающихся и новых православных храмов во многих городах «Золотого Кольца» России.

Тридцать мастеров трудились с октября 2013 года. Площадь расписанных стен и сводов собора составила более 6000 квадратных метров.

Фрески, выполненные по эскизам В.К. Курилова, покрывают стены сплошным живописным ковром и гармонируют с иконостасом собора. Фигуры Христа, Божией Матери, апостолов и святых написаны в лучших традициях палехских мастеров по золотым и небесно-голубым фонам.

В конхе центральной апсиды главного алтаря в соответствии с древним иконографическим каноном помещено изображение Богоматери-Оранты (от лат. orans — молящийся), представляющее  Пресвятую Богородицу с воздетыми к небу руками, в традиционном жесте заступнической молитвы. В полукружии апсиды написана икона Воскресения Христова. В нижнем регистре апсидного полукружия помещена икона Евхаристии — Причащения апостолов Христом. С боков написаны тексты молитв перед святым Причащением: «Верую, Господи, и исповедую» и «Вечери Твоея тайныя». Диск центрального купола традиционно занимает икона Спаса Вседержителя; в подкупольном пространстве изображения ветхозаветных праведников и пророков. По четырем сторонам крестово-купольного свода, на так называемых «парусах», поддерживающих купол, изображены апостолы-евангелисты – Матфей, Марк, Лука и Иоанн. На сводах – сюжеты двунадесятых праздников. Стены поделены на три регистра. В верхнем помещены росписи изображающие события из земной жизни Спасителя, описанные в Евангелии – Крещение в Иордане, Нагорная проповедь, призвание апостолов, моление о Чаше и др. В среднем – чудеса Христа, начиная от претворения воды в вино на браке в Канне Галилейской и заканчивая воскрешением праведного Лазаря. Нижний регистр представляет собой  декоративную ленту из переплетающихся растений и цветов.

Среди изображений – Астанайская-Почаевская и Алма-Атинская- Феодоровская иконы Божией Матери, образы небесных покровителей Семиречья, казахстанских новомучеников и исповедников.