Но в мастерских Троице-Сергиева монастыря работали и свои живописцы, резчики по дереву и кости, ювелиры. На многих дошедших до нас произведениях искусства написаны их имена.
Монастырские доходы давали возможность приглашать для строительных работ в монастыре лучших зодчих и украшать храмы произведениями замечательных художников Древней Руси. Здесь велось монументальное строительство, работали иконописцы, переписчики книг, резчики по дереву и другие мастера.
Первым каменным зданием, появившимся на территории монастыря, был Троицкий собор. Его построили в 1422–1423 годах на месте старого одноименного храма, сгоревшего в 1408 году. И поставили его «в похвалу» выдающихся заслуг Сергия Радонежского перед государством. Летописи сообщают, что на торжественную закладку храма съехались князья и видные церковные деятели, с помощью которых игумен Никон «собирает отовсюду зодчие и камнесечцы мудры».
Действительно, для росписи стен собора и писания икон игумен Никон пригласил артель иконописцев под руководством величайшего древнерусского художника Андрея Рублева и его знаменитого товарища Даниила Черного. Эти мастера так «различными подписаниями чудесных удобревши ту церковь», что «могуще зрящих всех удивить и доныне».
Работа эта заключалась не только в том, чтобы расписать храм фресками. Надо было написать большое количество икон для высокого многоярусного иконостаса. Приступать к росписи стен собора можно было только через год после его постройки, когда фрескам уже не будет угрожать осадка здания.
Но стены собора, к сожалению, безвозвратно утратили роспись рублевского времени. Она была сбита по «ветхости» вместе со штукатуркой и в 1635 году заменена новой, которая с течением времени тоже неоднократно обновлялась. Впоследствии, во время реставрационных работ, которые проводились под руководством советского искусствоведа и художника И. Грабаря, была раскрыта фресковая живопись XVII века. Несомненно, что она в какой-то мере повторяла рублевский сюжет и масштаб, а иногда и рисунок прежних композиций. Определенная близость к манере письма Андрея Рублева особенно заметна во фресках алтарной части Троицкого собора, но только один ее фрагмент можно с уверенностью назвать первоначальным. Это роспись дверного откоса в дьяконнике — южная апсида алтаря.
Случилось так, что при установке серебряной раки над гробом Сергия Радонежского (она была изготовлена по заказу Ивана Грозного) дверь в алтарь пришлось несколько сместить: одну ее сторону растесать, а другую приложить камнем. Эта прикладка и сберегла нетронутой рублевскую фреску, на которой по светлому золотистому фону свободно раскинут многоцветный переплетающийся орнамент.
Работы по внутреннему убранству собора были начаты сразу же после окончания строительных работ. И первой заботой иконописцев было создание главной иконы — «Троицы», которая должна была стоять по правую руку царских врат.
Для Троицкого собора и было создано самое прекрасное и совершенное произведение Андрея Рублева — всемирно известная «Троица». Впоследствии рублевская икона не раз промывалась, прописывалась, покрывалась олифой, которая скоро темнела. Все это, конечно же, сказалось на сохранности первоначальной живописи. Лишь в 1919 году «Троица» Андрея Рублева была окончательно освобождена от поздних наслоений, и с тех пор чарует зрителя своим художественным совершенством.
Игорь Грабарь писал, что икона «сверкает высшим, неземным светом, тем самым, который излучают только создания гениев». В Троицком соборе икона простояла до 1929 года, а теперь она находится в экспозиции Третьяковской галереи. На ее месте в иконостасе поставлена копия, очень хорошо выполненная художником-реставратором Н. А. Барановым.
Центральную часть всего музейного комплекса занимает Успенский собор, который своими формами повторяет Успенский собор в Кремле, а размерами даже несколько превосходит его. Строительство этого собора было начато в 1559 году по инициативе Ивана Грозного, который сам присутствовал на его закладке. Но денег не хватало, и работы продвигались медленно. Только в 1581 году после трагической гибели царевича Ивана, сраженного ударом посоха в припадке отцовского гнева, монастырь получил от Грозного крупную сумму «на помин души» покойного. На эти средства и было завершено строительство, а освящение Успенского собора состоялось в 1585 году, уже после смерти «грозного царя». Но еще 100 лет он стоял без росписей.