Постр. в 1505—08 при сыне Ивана III — Василии III арх. Алевизом Фрязиным Новым на Соборной пл. на месте древнего (coop. при Иване Калитев 1333) белокаменного Архангельского храма, служившего усыпальницей московских Великих и удельных князей. Стал усыпальницей русских Великих князей, затем царей династий Рюриковичей и Романовых (до Ивана V Алексеевича, ум. в 1696, захоронен также скончавшийся в Москве в 1730 имп. Петр II).

Главный престол в честь архангела Михаила, архистратига (предводителя Божиего воинства). У зап. входа придел Покрова Божией Матери (1552—55). В сер. XVI в. к юж. алтарной части пристр. придел Зачатия Иоанна Предтечи, к сев. — мученика У ара. Оба придела — одноглавые, с особыми входами с Соборной пл. Придел св. мученика Уара назван в память о св. муч. благоверном царевиче Димитрии, младшем сыне Ивана Грозного, родившемся вденьсв. Уара, в 1582, погибшего в 1591 и погребенного в соборе у первого, юж. столпа. В приделе Зачатия Иоанна Предтечи находится гробница полководца кн. М.В.Скопина-Шуйского (ск. в 1610), освобождавшего Москву в 1610 от осады «тушинского вора» Лжедмитрия II.

В обработке стен (капители, ордерные пилястры, филенки, раковины, в нижней — ложные аркады) — мотивы зодчества итальянского Возрождения (Алевиз был родом из Венеции). Порталы — с резным, растительным орнаментом. Особенно выделяется обильной и сочной резьбой портал главного, зап. фасада, расположенный в глубине лоджии. Фрески на стене лоджии (расписаны в XVI в., в т.ч. посвященная деяниям св. кн. Владимира Святославовича и Крещению Руси) неоднократно поновлялись. В 1773 в связи с появлением трещин к собору с юга пристр. мощные подпорки — контрфорсы, закрывшие окна. Галерея и coop. в 1826 служебная пристройка окончательно, почти полностью, закрыли юж. фасад. Высота храма — 21м.

В соборе — 54 погребения Вел. к-ны. и царей. Кроме упомятых, это свв. черниговские чудотворцы кн. Михаил Всеволодович и его верный боярин Федор (принявшие мученическую смерть в Орде 20.IX.1242), Иван Калита, его сын Симеон Гордый, св. благоверный кн. Димитрий Донской, Иван III, Иван IV Грозный с сыновьями Федором и погибшим от руки отца Иваном, родоначальник династии Романовых Михаил Федорович, его сын Алексей и внуки Федор и Иван и др.). 46 белокаменных орнаментированных княжеских надгробий размещены, в основном, в юж. части, в сев. находятся погребения опальных кнн. В 1636—37 древние надгробия заменены новыми, кирпичными, с резными белокаменными стенками, в 1903 заключены в бронзовые, остекленные футляры. Над погребением царевича Димитрия, останки к-рого перенесены в собор в 1606 Василием Шуйским, — резная белокаменая сень (1638, литая бронзовая решетка — XVII в.). Серебряная рака надгробия с чеканным изображением высоким рельефом царевича на крышке (1630, мастер Г.Евдокимов с помощниками) после 1917 была помещена в Оружейную палату.

Собор первоначально расписан новгородскими и псковскими мастерами в XVI в. (предположительно в 1564—65). В XVII в. обветшавшая стенопись была сбита и написана вновь в 1652—66 по предварительно снятым со стен прорисям (копиям) иконописцами Оружейной палаты (Я.Т. Казанец, С.Г.Рязанец, И.Владимиров, С.Ушаков, Ф.Зубов, Ф.Козлов, С.Поспеев). Реставрирована в 1953—55. Основная тема росписи — деяния архангела Михаила. Ранние фрески сохранились только в нижнем ярусе дьяконника (усыпальница Ивана Грозного — притча о богатом и Лазаре).

Стены лоджии (паперть с резным порталом из белого камня) расписана на темы Крещения Руси (XVI в., неоднократно обновлялась).

Нижний ярус стенописи центральной части собора — более 60 условных изображений («портретов») Вел. московских и удельных кны. : Василия II Темного, Ивана Калиты, блгв. кн. Димитрия Донского, Ивана III, Ивана Дмитриевича и Андрея Ивановича Старицких, Владимира Андреевича Храброго, его внука Василия Ярославича, Симеона Ивановича Калужского, Бориса Васильевича Волоцкого, Андрея Васильевича Угличского и др. Портреты погребенных в XVII в. царей и кны, написанные на досках яичной темперой, находятся в Историческом музее (парсуны 1686 - Федора Ивановича и Федора Алексеевича Романовых работы И.Безмина, Е.Елина и Л.Смольянинова, парный портрет 1677 Михаила и Алексея Романовых (работы Ф.Зубова) и в Третьяковской галерее (кн. М.В.Скопин-Шуйский, ок. 1630). Некоторые портреты царей были написаны на холсте.

На самом почетном месте, на с.-з. столпе, напротив главного входа, изображения инициатора стр-ва собора Вел. кн. Василия III, на нижних ярусах др. столпов — кнн. Владимиро-Суздальской и в верхних — Киевской Руси, предков московских царей,
олицетворяющих преемственность Московского государства.

Паникадила XVII в. Горнее место в алтаре (XVI в.) с позолоченной раковиной, высеченной из целого камня.

Резной деревянный позолоченный иконостас (высота —13 м) изготовлен в 1681 артелью мастеров во главе с И.Недумовым. В 1813 колонны нижнего яруса и средней части верхних ярусов заменены новыми. Одновременно сделана резьба царских врат. В иконостасе — иконы XV—XVII вв. Большая часть икон — 1680—81 (Я. Золотарев,
Ф.Зубов, М. Милютин). В местном ряду — особо чтимая икона «Архангел Михаил с деяниями» (кон. XIV — нач. XV в.), одна из самых древних на Руси житийных икон небесного воителя, считавшегося покровителем московских кнн. в ратных делах. По преданию, написана современником преп. Андрея Рублева по заказу кн. Евдокии, жены блгв. кн. Димитрия Донского.

Поместный собор РПЦ 1988 причислил св. благоверного кн. Димитрия Донского (мощи его почивают в соборе) клику святых. С 1990-х совершаются богослужения.