Иконостас Архангельского собора состоит из четырех ярусов: местного, праздничного, деисусного и пророческого. Завершает монументальное сооружение иконостаса Распятие с предстоящими Богоматерью и Иоанном Богословом. Все иконы иконостаса за исключением двух икон местного ряда - Благовещение Устюжское и Архангел Михаил в деяниях - созданы в 1679-1681 гг. царскими изографами. Документы называют среди них таких известных мастеров как Михаил Милютин и Федор Зубов, работавших в новой живописной манере с использованием светотеневой моделировки. Все пророки изображены в рост, держащими в руках развернутые свитки, с написанными на них словами пророчеств. Центральным образом ряда является монументальная икона Богоматери, торжественно восседающей на троне и держащей на коленях Младенца Иисуса. Деисусный ряд относится к типу апостольских деисусов , то есть включает в себя кроме традиционного пятифигурного ядра (Спас в силах, Богоматерь, Иоанн Предтеча, Архангел Михаил, Архангел Гавриил) иконы двенадцати апостолов (по шесть с каждой стороны).

Традиционные образы Христа и Богоматери, располагающиеся в местном ряду справа и слева от Царских врат, представлены иконами Богоматерь Благодатное Небо и Спас Великий Архиерей . Храмовая икона собора Архангел Михаил в деяниях - самая древняя. Она была написана около 1399 г. и украшала некогда иконостас древней Архангельской церкви. Икона Благовещение Устюжское представляет собой список со знаменитой иконы XII в., выполненный в XVI столетии по заказу царя Ивана Грозного.

Деревянный каркас иконостаса также выполнен в царствование Федора Алексеевича группой мастеров-резчиков по дереву, работавших в лучших традиция стиля московское барокко . Гладкие деревянные формы колонн трех верхних ярусов сочетаются с пышной резьбой центральной части иконостаса и его местного ряда. Здесь витые колонки украшены орнаментальными мотивами виноградной лозы с кистями ягод, связками плодов и листьями аканта. Первоначально иконостас имел полихромную раскраску в сочетании с позолотой и серебрением. Сплошное золочение было выполнено в середине XIX в.