В западной части храма Алевиз соорудил для семьи князя двухъярусную паперть с приделом св. Акилы.
Здание построено из белого камня. В XVI веке собор был расписан. Но эти ранние фрески сохранились только в дьяконнике, где была устроена усыпальница царя Ивана Грозного. В середине XVII века обветшавшая роспись была сбита и заново исполнена по снятым со стен прорисям.
В росписи Архангельского собора участвовали лучшие живописцы из разных городов во главе с мастерами Оружейной палаты.
Наиболее примечательной частью стенописи является «портретная» галерея нижнего яруса, состоящая из условных изображений реальных исторических лиц, погребённых в соборе. В галерее более шестидесяти «портретов» великих московских и удельных князей, среди которых портреты Василия II Темного, Ивана Калиты, Дмитрия Донского, Ивана III, Владимира Андреевича Храброго и его внука Василия Ярославича и других. Портреты погребённых в соборе в конце XVI–XVII веке царей были написаны уже на досках яичной темперой или на холстах.
Изображение великого князя Василия III представлено на самом почётном месте – на северо-западном столпе напротив главного входа в храм. На других столпах помещены в нижнем ярусе фигуры князей Владимиро-Суздальской и, в верхнем, Киевской Руси.
В соборе-усыпальнице стоят сорок шесть княжеских гробниц московских князей и царей, начиная с Ивана Калиты и заканчивая Иваном V Алексеевичем, братом Петра I. Исключение составляют князь Даниил Александрович, погребенный в Даниловом монастыре, и князь Юрий Данилович, брат Калиты, похороненный в Успенском соборе, а также Борис Годунов. Его останки были выброшены отсюда в 1606 году Лжедмитрием и отвезены в Троице-Сергиеву лавру. Также в Архангельском соборе похоронен император Пётр II, умерший в 1730 году в Москве от оспы. Здесь же были упокоены мощи князей Михаила Всеволодовича Черниговского и его боярина Федора, погибших в Орде в 1246 году.
Кроме того, в соборе находятся гробницы многих удельных князей из Московского княжеского дома.
Кстати, до Петра I существовал обычай класть на гробницы князей и царей в Архангельском соборе челобитные, которые были адресованы непосредственно царю.
В 1636–1637 годах все древние надгробия были заменены новыми, выложенными из кирпича, с резными белокаменными стенками. В 1903 году надгробия были покрыты бронзовыми футлярами.
Над погребением царевича Дмитрия, останки которого были перенесены в собор в 1606 году Василием Шуйским, высится белокаменная сень, украшенная резьбой. На серебряной раке надгробия – чеканное изображение царевича.
Росписи Архангельского собора неоднократно реставрировались. Серьезная реставрация иконостаса была произведена после 1812 года.
Главной святыней собора является храмовая икона «Михаил Архангел с житием», одна из самых древних на Руси житийных икон этого небесного воителя. Легенда связывает её создание в конце XIV века с именем княгини Евдокии, вдовы Дмитрия Донского.
Архангельский собор пострадал во время Отечественной войны 1812 года. Французы устроили в алтаре походную кухню для Наполеона и склад провианта. В 1917 году собор был поврежден при обстреле Кремля и в 1918 году закрыт. В 1929 году, после сноса в Кремле Вознесенского монастыря, где была усыпальница цариц и великих княжон, в подклет Архангельского собора перенесли их останки.
С 1955 года в Архангельском соборе работает музей. В 1970‑х годах была сделана внешняя реставрация собора.
