Порталы храма обильно украшены резным растительным орнаментом. Первоначально собор окружала открытая арочная галерея, а закомары были украшены островерхими белокаменными пирамидками. Галерея, вероятно, была разобрана в XVII столетии.
В интерьере собора царит полумрак. В этом полумраке безмолвно высятся сорок шесть массивных каменных гробниц московских князей и царей, начиная с Ивана Калиты и кончая Иваном 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 Дмитрием Самозванцем и отвезены в Троице-Сергиеву лавру. Здесь же находится могила полководца М. В. Скопина-Шуйского. Здесь же похоронен император Петр II, умерший в 1730 году в Москве от оспы. И здесь же были упокоены мощи святых мучеников князя Михаила Всеволодовича Черниговского и его боярина Федора, погибших в Орде в 1246 году. В Архангельском соборе погребены и Петр Ибрагимович, царь Казанский, и царевич татарский Александр Сафагиреевич, сын царицы Сумбеки, – зримое свидетельство того, что, по словам русского духовного писателя А. Н. Муравьева, «не муками и не кострами, как некогда князей черниговских, тверских и рязанских, терзаемых в Орде за веру предков, но кротким светом Евангельской истины призывала Святая Русь закоснелых врагов своих из тьмы язычества в благодатное царство Христово».
В соборе находятся гробницы многих удельных князей из Московского княжеского дома – Юрия Звенигородского, Василия Косого, Юрия Дмитровского, Василия Ярославича Боровского, Андрея Углицкого, а также героя Куликовской битвы Владимира Храброго, князя Серпуховского. Вся русская история, персонифицированная в именах ее главнейших деятелей, спит в стенах Архангельского собора. При жизни многие из них враждовали друг с другом, но ныне, примиренные смертью, лежат рядом друг с другом.
Архангельский собор, видимо, был расписан сразу же после окончания строительства. Однако существующая роспись храма относится уже к 1652–1666 годам. Ее авторами являются знаменитые «изографы» той поры – Гурий Никитин, Сила Савин, Симон Ушаков, Степан Резанец, Федор Зубов. В живописи Архангельского собора, по словам Е. С. Сизова, «в лицах раскрывается история России». Целая портретная галерея проходит перед нами – великие князья Киевской Руси, князья Владимиро-Суздальской Руси, московские великие князья и удельные князья Московского княжеского дома… Это не портреты, а некие «воображенные подобия», образы князей. Их фигуры объединены между собой в единую красочную процессию, устремляющуюся к алтарю.
Росписи Архангельского собора включают в себя и композиции на тему подвигов Архангела Михаила, предводителя Небесных Сил бесплотных, ведущих незримую борьбу с силами ада. Ими расписаны северная и южная стены храма. В их канву вплетено несколько сюжетов, повествующих о борьбе Руси с татарами.
Первый иконостас собора погиб в пожаре 1547 года. Существующий же иконостас создан в 1680–1681 годах группой московских иконописцев под руководством Дорофея Золотарева, автора иконостаса Смоленского собора Новодевичьего монастыря. Особенно удалась мастерам золоченая резьба иконостаса – использованные ими новые декоративные формы сыграли большую роль в формировании нового художественного стиля, получившего название московское барокко.
Росписи Архангельского собора неоднократно реставрировались. Большая реставрация была произведена после 1812 года, когда французы, занявшие Москву, устроили в соборе склад провианта. Тогда же, после 1812 года, был обновлен иконостас.
Главной святыней собора является храмовая икона «Михаил Архангел с житием». Легенда связывает ее создание в конце XIV века с именем княгини Евдокии, вдовы Дмитрия Донского. Написанная мастером из круга Андрея Рублева, икона Михаила Архангела стала символом защиты всего народа, всей Русской земли от татарского ига, от вражеских нашествий. Автор, писавший икону, явно был одним из крупнейших мастеров Древней Руси, чье имя не дошло до нас. Его икона «Архангел Михаил» по своим художественным достоинствам может быть поставлена в ряд с высшими достижениями древнерусской живописи.
Постройка Архангельского собора сделала Соборную площадь Московского Кремля необыкновенно торжественной. Молодая столица единого Русского государства приобрела достойный своего возросшего значения архитектурный ансамбль – образ Небесного Града, Горнего Иерусалима. Многоглавые златоверхие храмы тесной группой венчали Боровицкий холм. А над ними высоко в небе парил золотой крест колокольни Ивана Великого…