Впервые стенописью Архангельский собор был украшен в царствование Ивана Грозного в 1564-1565 гг. В начале XVII столетия во время польско-шведского разорения живопись храма основательно пострадала. Было принято решение о ее возобновлении. Работа над росписью продолжалась с 1652 по 1666 гг. Согласно распоряжению царя Алексея Михайловича новая стенопись должна была в точности повторить древнюю. До начала работ мастер Оружейной Палаты Степан Резанец с помощниками составляли описания сохранившихся в храме изображений с указанием того, где они расположены. Решение царя ясно говорит о том, что идеи, положенные в основу программы росписи собора оставались актуальными в царствование Романовых.

Над созданием новой росписи трудилась большая артель мастеров из разных городов России - Ярославля, Ростова, Костромы, Вологды и др. Возглавлял артель знаменитый царский изограф Симон Ушаков. Рука об руку с Симоном Ушаковым трудились такие талантливые мастера, как Федор Зубов, Сидор Поспеев, Яков Казанец, Иосиф Владимиров и др. Они привнесли в древние композиционные схемы изощренный динамичный рисунок, сложное и энергичное архитектурное обрамление композиций, яркий, праздничный колорит, построенный на сочетании интенсивных тонов синего, вишневого, желтой охры с нежными тонами белого, розового, фисташкового.

В содержании программы декорации ансамбля идеи политического богословия времени Ивана Грозного переплетаются с темами смерти и покаяния. Эпиграфом ко всей росписи служат фрески предваряющей вход в храм лоджии, которые представляют собой иллюстрации к летописному сказанию о выборе христианской веры князем Владимиром. В алтаре храма звучит тема торжества русской национальной церкви. Здесь располагается композиция София Премудрость Божия в сопровождении многочисленных изображений русских церковных иерархов.

В центральном куполе представлена композиция, получившая название Отечество . Западную стену и часть сводов храма занимает цикл композиций, раскрывающих содержание Символа веры (краткое изложение основных догматов христианской религии). Он продолжает тему выбора веры, начатую в лоджии, и служит напоминанием о том, что защита веры - святой долг княжеской и царской власти. Составной частью цикла Символа веры является композиция Страшный Суд , занимающая часть западной стены.

На северной и южной стенах храма - композиции, повествующие о чудесах Архангела Михаила, верховного ангела, проводника в мир воли Бога. На Руси он почитался как патрон великого князя и как ангел, сопровождающий души усопших к престолу Бога. Тема прославления самодержавной власти находит свое развитие в изображениях святых князей - царских сродников и святых воинов, их покровителей. Среди них - Владимир и Ольга, Борис и Глеб, Петр и Феврония Муромские, князь Михаил Черниговский и его боярин Федор.

Уникальная особенность росписи Архангельского собора - цикл надгробных портретов князей московской династии. Они располагаются непосредственно над княжескими гробницами. Фресками украшена и усыпальница Ивана Грозного.

За время своего существования фрески Архангельского собора неоднократно покрывались новыми слоями масляной живописи. В 1950-х годах они были раскрыты из-под многочисленных записей бригадой художников-палешан. Дополнительные работы по укреплению стенописи и дораскрытие некоторых участков живописи проводились в 1978-80 - гг.