Новая роспись выполнена в 1642–1643 согласно указу царя Михаила Федоровича большой (около ста пятидесяти человек) артелью жалованных и кормовых иконописцев из Москвы и целого ряда русских городов во главе с царскими изографами Иваном и Борисом Паисеиными и Сидором Поспеевым. Старые изображения были скопированы, роспись по новому левкасу исполнена с сохранением прежней композиции в технике фрески, а потом прописана темперой по сухой штукатурке. Высокий художественный уровень исполнения царского заказа способствовал тому, что роспись Успенского собора послужила образцом для создания подобных циклов во многих храмах и соборах России.

Фресковый цикл Успенского собора — это большая, хорошо продуманная богословская программа. Здесь представлена история человечества, отраженная в Священном Писании. Расположение сюжетов отвечает представлению о храме как модели Вселенной, с разделением пространства на мир дольний и мир горний. Наверху располагаются наиболее значимые изображения: в центральном куполе — Спас Вседержитель, на парусах — четыре евангелиста, на подпружных арках — апостолы, на сводах — самые существенные эпизоды земной жизни Иисуса Христа и Богоматери.

На четырех круглых опорах помещены фигуры ста тридцати пяти мучеников, почитавшихся как «столпы Церкви». На стенах композиции размещаются ярусами в виде широких, разделенных цветными полосами лент. Здесь представлены богородичные циклы: сцены из Жития Богоматери и Акафиста. В нижней части показаны «Семь вселенских соборов», то есть съезды высших церковных иерархов, проходившие в IV–VII веках, на которых были утверждены главные христианские догматы. Отдельная композиция на западной стене посвящена Страшному суду, который произойдет, по мнению христиан, после второго пришествия Христа.

Древнейшая из находящихся в Успенском соборе икон, по-видимому, была привезена из Новгорода Великого во времена Ивана Грозного и начиная с XVI века размещалась в иконостасе этого главного кремлевского собора. Двусторонняя икона помещена в вертикальной витрине у северной стены. На ее главной стороне представлен образ Богородицы Одигитрии. Во время раскрытия в 1995 Георгием Сергеевичем Батхелем этого образа от поздних записей были обнаружены фрагменты живописи, относящиеся к XI–XIX векам. Первоначальный красочный слой сохранился только на шее и руке Младенца. Большая часть иконы была переписана заново в XIV веке греческим иконописцем.

Не исключено, что на рубеже XI–XII веков его соотечественником был выполнен образ воина Георгия, находящийся на обороте иконы. Об этом свидетельствуют широко раскрытые глаза святого и характерная прическа, состоящая из уложенных в несколько рядов крупных завитков волос. Поясное изображение святого мученика помещено на нейтральном золотом фоне, символизирующем «свет неприступный», присущий лишь Богу. В правой руке Георгий сжимает копье, а в левой вложенный в ножны меч, который повернут рукояткой вверх, означая собою крест. Поверх пластинчатого доспеха накинут алый плащ — символ мученичества. До середины 1930-х, когда икону реставрировал Василий Осипович Кириков, это изображение было закрыто густым слоем темно-коричневой краски.

Напротив иконостаса Успенского собора у круглых столбов располагаются три шатровых сооружения. Это моленные места, на которых во время церковной службы в храме находились патриарх, царь и царица. Белокаменный шатер в центре был сооружен одновременно с постройкой собора в 1479. Он принадлежал вначале митрополитам, а затем, после учреждения патриаршества, патриархам. Деревянное моленное место цариц относится к XVII веку. Наибольший интерес представляет находящееся у южных дверей собора царское моленное место, называемое также «Мономахов трон». Оно было создано в 1551 новгородскими резчиками по заказу Ивана Грозного. В разработке программы украшения этого необычного сооружения мог принимать участие митрополит Макарий, наставник юного царя, при содействии которого было осуществлено первое в России венчание на царство. В основе программы лежит идея о богоустановленности царской власти и ее преемственности от римских и византийских императоров. Фигуры четырех фантастических зверей помещены в основании «Мономахова трона». Его шатер увенчан двуглавым орлом, а на трех стенках в двенадцати рельефах располагаются композиции на сюжет «Сказания о князьях Владимирских», которое повествует о перенесении на Русь при князе Владимире Мономахе из Византии царских регалий.

Бронзовое ажурное сооружение под четырехскатной кровлей было выполнено в 1624 по заказу царя Михаила Федоровича группой мастеров под руководством старосты котельного цеха Дмитрия Сверчкова. Оно предназначалось для хранения христианских реликвий и, в первую очередь, кипарисовой модели Гроба Господня, привезенной из Святой земли. Таким образом, этот шатер имел отдаленное сходство с кувуклией, то есть часовней над Гробом Господним в Иерусалиме. Сюда в 1625 была помещена риза Христова, привезенная из Ирана как подарок от шаха Аббаса I Великого, подчинившего своей власти территорию Грузии. Там эта реликвия, вложенная в крест, хранилась в одном из храмов. В 1913 в шатер поместили раку с мощами замученного интервентами в период Смуты начала XVII века патриарха Гермогена, незадолго до этого канонизированного. Его захоронение не единственное в соборе. Здесь погребены по крайней мере девятнадцать митрополитов и патриархов, живших в XIV–XVII веках, десять из которых причислены к лику святых. Первым в 1326 в еще недостроенном первоначальном храме был похоронен митрополит Петр, последним — патриарх Адриан, в 1700.

Архангельский собор в XIV–XVIII веках служил храмом-усыпальницей московских государей. При князе Иване Калите здесь в 1333 построили небольшой белокаменный храм, в котором он позднее был похоронен. Существующее здание возведено в 1505–1508 по заказу великого князя Ивана III итальянским мастером из Венеции, прозванным в России Алевизом Новым. Построенный им крупный пятиглавый шестистолпный крестово-купольный храм, имеющий позакомарное покрытие помимо древнерусских черт несет на себе печать итальянской архитектуры эпохи Возрождения. Фасады собора подчиняются принципу ордерного членения. Деление их профилированным карнизом на два яруса не соответствует, однако, организации внутреннего пространства собора. Обильную декорацию фасадов дополняют расположенные с севера и запада белокаменные резные порталы и вставленные в полукружия закомар изящные раковины. До середины XVIII века закомары были увенчаны декоративными столбиками — фиалами, а центральная глава имела, как и все остальные, шлемовидное покрытие. Со временем изменилась окраска собора. Первоначально на фоне небеленых краснокирпичных стен четко выделялись белокаменные детали. После революции 1917 в храме, ставшем музеем, богослужения прекратились и возобновились только в 1990-е.