Uspenskin katedraalin venäläis-bysanttilainen ilme jatkuu rakennuksen sisätilassa sekä alkuperäisissä ikoneissa. Katedraalia voidaankin pitää aikakautensa rakennustyyliä ja taidesuuntausta peilaavana kokonaistaideteoksena.
Rakennuksen suuren koon huomaa parhaiten sen sisällä. Katedraalin kupolikatto ulottuu 33 metrin korkeuteen. Luku kuvaa Kristuksen maanpäällistä elinikää, joka oli 33 vuotta. Seinät on rapattu ja koristeltu tyylisuunnan mukaisella ornamentiikalla. Kymmenmetrisen keskusholvin korkein huippu on maalattu siniseksi tähtitaivaaksi, samoin kuin alttarin katto.
Keskusholvia ja kattoa kannattelevat neljä doorilaistyylistä pilaria, jotka tuovat yksinkertaisessa vaikuttavuudessaan vastapainoa koristeelliseen kirkkosaliin. Pilarit ovat monoliitteja, eli ne on veistetty yhdestä yhtenäisestä kivestä. Pilarit louhittiin Helsingin alueen kaivosten graniitista, ja niiden pystyttämiseen tarvittiin neljäsataa työmiestä. Ne ovatkin maamme suurimmat monoliitit.
Monoliittipylväiden ja kattoholvien yhtymäkohtiin on sijoitettu apostolien kuvat. Alttarin vasemmalla puolella on apostoli Filippuksen kuva, ja siitä myötäpäivään Jaakob Herran veli, Andreas, Jaakob Sebedeuksenpoika, Jaakob Alfeuksenpoika, Tuomas, Bartolomeus ja Simon Kiivailija.
Kirkon holvikaariin on kirjoitettu kirkkoslaaviksi seuraavat lauseet: ”Tulkaa minun luokseni, kaikki te työn ja kuormien uuvuttamat. Minä annan teille levon” (Matt. 11:28); ” Minun sieluni ylistää Herran suuruutta, minun henkeni riemuitsee Jumalasta, Vapahtajastani” (Luuk. 1:46–47); ”Sillä, joka uskoo, on ikuinen elämä” (Joh. 6:47) ja ”Siunattu on hän, joka tulee pyhän Kunniasi temppeliin”.
Alttari sijaitsee kirkon itäpäädyssä, ikonostaasin eli kuvaseinän takana. Ikonostaasista avautuu alttariin kolme sisäänkäyntiä, joista keskimmäisestä, kuninkaanovista, voivat kulkea vain piispat, papit ja diakonit, ja hekin vain jumalanpalvelusten aikana. Alttari ymmärretään taivaan ja maan kohtauspaikaksi. Sen luonnetta korostavat ikonostaasin edessä olevat portaat, jotka nostavat alttarin kirkkosalia ylemmäksi.
Uspenskin katedraalin ikonostaasi on Suomen oloissa poikkeuksellisen kookas. Puurakenteinen, taidokkaasti koristeleikattu, kultauksin ja maalatuin yksityiskohdin koristeltu kuvaseinän runko valmistettiin Pietarissa. Ikonostaasissa on 22 italialaisvaikutteista, kankaalle öljyvärein maalattua ikonia. Ne maalasi pietarilainen taidemaalari, akateemikko Pavel Šiltsov katedraalin valmistumisvuonna. Ikonostaasilla onkin ikänsä ja suurikokoisuutensa ohella erityistä kulttuurihistoriallista merkitystä siksi, että se lienee ainoa nykypäiviin säilynyt Šiltsovin maalaamista ikonostaaseista. Ikonostaasi läpikäy parhaillaan usean vuoden kestävää, perusteellista kunnostusta.
Nykyinen Uspenskin katedraalin sisustus on vähitellen lähes 150 vuoden kuluessa muotoutunut, eri-ikäisten esineiden muodostama kokonaisuus, jossa näkyy myös Suomen ortodoksisen kirkon viime sotien jälkeinen historia. Monet esineet ovat kulkeutuneet katedraaliin sodassa menetetyiltä alueilta Viipurista ja vanhasta Valamon luostarista.