В росписи сохраняются свойственные началу XVI в. пропорциональные соотношения, формы архитектурных построек, стройные и изящные фигуры, насыщенность колорита, что особенно заметно в росписях алтаря. В то же время живопись на стене, ограждающей хоры, с характерными плотными крупноголовыми фигурами и тёмным приглушённым колоритом, близка произведениям 1560 гг. В интерьере собора иконы располагались в алтаре, за престолом, в иконостасе, на стенах и столпах, на аналоях. Об отдельных иконах сохранились свидетельства в летописях и других письменных источниках. О составе и особенностях иконного убранства Благовещенского собора в целом исследователи судят лишь с 1634 г., когда была сделана первая известная опись собора, сохранившаяся в составе описи 1680–1681 гг. Огромную историко-художественную ценность имеет иконостас Благовещенского собора – один из древнейших русских высоких иконостасов. Исследователям неизвестно, как выглядел и каких размеров был древнейший иконостас, насколько параметры и состав сохранившегося соответствуют ранним строительным периодам в его архитектуре. Вероятно, к началу XVI в. были определены его современные размеры и устройство: в 1508 г. в Благовещенском соборе великий князь Василий III «повеле иконы все церковные украсити и обложити сребром и златом и бисером, деисус, праздники и пророки». Иконостас собора был обновлён после пожара 1547 г. Из летописей исследователям известно, что в 1566 г. царь Иоанн IV «образы златом и камением повеле украсити». Со временем могли изменяться количество и состав икон в разных рядах, они могли располагаться на стенах собора («в заворот») рядом с иконостасом. Подобное их размещение сегодня сохранилось только в его нижнем ярусе. В настоящее время в иконостасе находятся иконы XIV–XVII вв., представляющие большей частью выдающиеся памятники искусства. Деисусный чин Благовещенского собора, украшенный в 1508 г., сгорел в 1547 г. По словам летописи, он принадлежал кисти Андрея Рублёва и был «златом обложен». Сохранившиеся иконы Деисуса были раскрыты и реставрированы в 1918–1919 гг. группой реставраторов под руководством историка искусства и живописца Игоря Эммануиловича Грабаря (1871–1960 гг.). В ходе раскрытия икон было высказано мнение, что они принадлежат кисти Феофана Грека и что иконы этого чина написаны в одно время с иконами праздничного ряда. Физико-химические исследования второй половины XX в. показали, что оба чина написаны разными красками и различными живописными приемами, т.е., вероятнее всего, были созданы независимыми друг от друга артелями. В настоящее время иконы Деисуса датируются концом XIV в. В центре ряда находится образ Вседержителя в окружении небесных чинов («Спас в силах», 210х142 см), что является редким примером для чина иконостаса. По сторонам – образы Богоматери и Иоанна Предтечи, обращённые в молении к Христу. За ними следуют архангелы Михаил и Гавриил, апостолы Пётр и Павел, святители Иоанн Златоуст и Василий Великий (каждая икона 210х107–121 см). Художественные особенности девяти икон Деисуса позволили исследователям утверждать, что он создан выдающимся греческим мастером, вероятнее всего, Феофаном Греком. Техника живописи соединяет лучшие традиции византийского искусства с высоким духовным содержанием образов. В том же ряду находились образы вмч. Георгия и Димитрия (210х102 см), стоявшие вдоль северной и южной стен собора (ныне в запасниках ГММК). По живописи они сильно отличаются от остальных образов чина и, вероятно, написаны русскими мастерами XV в. В XVI в. на узких по ширине досках (208х25 и 211х26 см) были написаны иконы столпников Даниила и Симеона. Согласно описям XVII в., иконы мучеников и столпников располагались на боковых стенах собора рядом с иконостасом, при создании новой конструкции иконостаса в 1896 г. были сняты. Праздничный ряд включал 14 икон: «Благовещение», «Рождество Христово», «Сретение», «Крещение», «Преображение Господне», «Воскрешение Лазаря», «Вход Господень в Иерусалим», «Тайная вечеря», «Распятие», «Положение во гроб», «Сошествие во ад», «Вознесение», «Сошествие Св. Духа», «Успение Богородицы» (каждая доска 81х60–63 см). В настоящее время принято считать, что древние иконы написаны разными мастерами первого десятилетия XV в. и появились в соборе после пожара 1547 г. Несмотря на изменение или утрату красочного слоя, иконы демонстрируют художественные признаки и то духовное содержание, которые были наиболее полно воплощены в творчестве Андрея Рублёва.