О первоначальном виде храмовой живописи нет никаких сведений. Церковь Всех Святых, как и большинство строений монастыря, пострадала во время пожара 1718 г., но вскоре была восстановлена. Храм расписали только после капитального ремонта в 1906 г. художники и ученики лаврской иконописной школы под руководством Ивана Сидоровича Ижакевича. Эскизы всех росписей разрабатывал лично И.Ижакевич, ему помогали иконописцы и самые одаренные ученики. Система росписей построена таким образом, что большинство фигур святых размещена на оконных откосах. На стенах храма доминирует декоративный элемент.
Живописные композиции в храме расположены с соблюдением традиционных требований. Изображение на темно-синем фоне в главном куполе Христа-Пантократора является доминирующим. В левой руке Он держит открытую книгу с надписью: "Азъ єсмь Свьтъ мира", десница приподнята для благословения. Как Вседержитель Мира, Он окружен небесными силами - серафимами. Их изображения также размещены в боковых куполах, в центре каждого свода на одном уровне написано слово "Свят", которым серафимы прославляют Бога. Ближе к Христу - на парусах по традиции изображены евангелисты, но в церкви Всех Святых изображены лишь два евангелиста: на юго-западном парусе - святой Марк со львом, на северо-западном парусе изображен святой Лука с его символом быком. Два других паруса прикрыты иконостасом. На арках в кругах на золотом фоне находятся лики апостолов. Фигуры апостолов размещены на арках, так как они символизируют опору церкви. Фигуры печерских святых на оконных откосах храма изображены попарно, в зависимости от их рода деятельности или места, которое они занимали в истории монастыря. Так в юго-восточном оконном проеме изображены прп. Никола Святоша и Прохор Лебедник. Далее, по кругу изображены - прп. Нестор Летописец, Исаакий Затворник, Моисей Угрин и Иоанн Многострадальный, Марк Пещерник, Авраамий Трудолюбивый, Леонтий и Геронтий - канонархи Печерские, прп. Иеремия и Матфей Прозорливый, Иоанн и Феофил Печерские. На оконных откосах северной части храма - изображения врачей прп. Агапита и Дамиана, иконописцев Григория и Алипия, диаконов Ахилы и Анастасия. Завершают круг фигуры прп. просфорников Спиридона и Никодима. По обеим сторонам входа в церковь в полный рост размещены изображения киевского князя Владимира и составителей славянской азбуки свв. Кирилла и Мефодия. На стене алтарной части, закрытой иконостасом, размещены изображения основателей Киево-Печерского монастыря прпп. Антония и Феодосия, первых игуменов монастыря прп. Никона и Варлаама, а также прпп. Тита, Кукши, Игнатия, Поликарпа. Живопись интерьера церкви отмечается богатством цветной гаммы, выдержанной в холодных тонах. Все картины и орнаменты написаны масляной краской, широкими мазками.
Особое впечатление производит интерьер церкви с открытым и освещенным до самого верха подкупольным пространством. Внутреннее строение храма своей конструкцией соответствует внешнему делению строения на пять камер. Каждой камере в храме соответствует свое подкупольное пространство. Свод алтарной части значительно приподнят кверху, где его восьмигранный проем соединяется со световым барабаном. Центральная часть храма вверху ограничена четырьмя соединенными между собой арками. Вместе с парусами они образуют круглое отверстие, переходящее в световой барабан цилиндрической формы. Интерьер церкви дополняют два мраморныхмозаичныхкиота, установленные на южной и северной стенах. Киоты были выполнены в начале XX ст. киевским мраморных дел мастером Иваном Антоновичем Дрекслером для Трапезной церкви, но в 1902 г. по требованию Духовного собора перенесены в церковь Всех Святых. Иконы для них написал академик живописи В.Фартусов. На одной иконе изображен Иоанн Предтеча, а на другой - прп. Иоаникий Великий.
Украшением церкви Всех Святых является резной позолоченный иконостас - образец декоративно-прикладного искусства XVIII ст. Иконостас в церкви символизирует наше единение с Богом, в то же время отдаляет нас от алтаря- символа Царства Небесного. Первый иконостас храма сгорел во время пожара 1718 года. В 1741 р. Илларионом Сповольским и Солофеилом Никитичем в лаврской мастерской была закончена работа над новым трехъярусным иконостасом. Он оформлен в стиле раннего барокко с остатками ренессансных форм.Из конструктивного строения видно, что этот иконостас был изготовлен не для церкви Всех Святых, а был перенесен из какой-то другой церкви. Он состоит из трехярусов, разделенных между собою карнизами, которые поднимаются над Царскими вратами полукругом или заломами. Резное обрамление икон напоминает закругленный сверху оконный проем. Выделяется нижний, цокольный ряд иконостаса, где использованы классические архитектурные формы. Колонки между иконами украшены изображением виноградной лозы. К алтарной части церкви из иконостаса ведут трое дверей с трехгранным завершением, характерным для народной украинской архитектуры. Средние - Царские врата - по размерам более высокие и широкие, чем боковые - диаконские двери. Они состоят из двух створок, вырезанных из деревянных досок, украшенных ажурным орнаментом в виде акантовой листвы и гроздей винограда. Правая створка увенчана короной. Над Царскими вратами расположен резной ажурный полукруг с образом Спаса Нерукотворного. На диаконских дверях вместо фигур архистратигов изображены фигуры двух венценосных святых - византийский император Константин и киевский князь Владимир Святославич. В начале в иконостасе было 52 иконы, но во время Второй мировой войны они были утеряны и осталось всего 36.