В описании монастыря 1714 года упоминается, что в храме находился пятиярусный иконостас и множество икон, «написанных золотом и красками». О внутреннем убранстве храма можно судить по описанию, составленному в 1763 году Петром Свиньиным. Среди множества икон выделяются три образа святого Евфимия, украшенные серебряными окладами с позолоченными венцами; над дверью в больничные кельи находился образ «Отечество» в золоченой раме.

На протяжении XVIII века храм неоднократно ремонтировался. Из-за нехватки средств иеромонах Филарет обратился к княгине П.И. Голицыной, мать которой была похоронена в больничной церкви, с просьбой пожертвовать средства на замену кровли. В 1765 году была отремонтирована кровля над алтарями, а также неоднократно чинился шатер. В 1793 году был проведен капитальный ремонт: заново перекрыли шатер, восстановили кирпичную кладку и оштукатурили стены. Внутри храма также был сделан ремонт и установлен новый иконостас. Сохранился договор с крепостным золотарем графа Н.П. Шереметьева Иваном Тимофеевичем Серковым, который позолотил новый иконостас. Одновременно перестроили и больничные кельи.

Во время ремонтных работ на южной стене трапезной части храма были обнаружены фрагменты стен первоначального объема церкви начала XVIII века. Однако обновленный храм простоял недолго. В 1805 году снова встал вопрос о его ремонте, но состояние здания требовало более серьезных мер. Средства на разборку храма и строительство новой церкви пожертвовала Анна Александровна Голицына, супруга М.М. Голицына. Она пожелала устроить в новом храме усыпальницу рода Голицыных и освятить его во имя Архангела Михаила, покровителя ее супруга. Проект был выполнен Иваном Васильевичем Еготовым, который также строил главный дом в загородной усадьбе Голицыных в селе Влахернском (Кузьминки). Творения этого архитектора стали известны в классической архитектуре Москвы, включая главный корпус военного госпиталя в Лефортово и главный дом в усадьбе Люблино Дурасовых. С 1803 года он был директором Кремлёвской чертежной экспедиции.

Храм построен в классическом стиле «александровского ампира» и представляет собой кубический объем с главой на широком барабане. Особенностью архитектуры храма является его восточный фасад, апсида которого по высоте и ширине равна храму, что напоминает мавзолеи-ротонды, популярные в конце XVIII века. Главный вход в храм, заложенный в советское время, был отмечен торжественным портиком с элементами тосканского и дорического ордеров. Архитрав из белого камня украшен лепными розетками, а тимпан фронтона, символом «всевидящего ока». При строительстве нового храма сохранили западную стену, бывшую стеной больничных келий. Внутри храма в северо-западной части была сделана белокаменная лестница, ведущая в усыпальницу. Храм освятил в 1809 году архимандрит Донского монастыря Виктор. Из описания 1820-х годов известно, что крыша купола и церкви была покрыта листовым железом, а крест вызолочен.

Храм во имя Архангела Михаила стал усыпальницей рода Голицыных, в нем уже в 1822 году находились тринадцать гробниц. В 1845 году был выполнен новый иконостас, а в 1860-е годы впервые упоминается живопись на стенах храма и в алтаре. Полностью храм расписал в 1877 году художник М.Е. Голованов, сохранив росписи 1860-х годов. Монументальная живопись в трапезной части храма была обновлена иконописцем из села Палех П.М. Соколовым в 1894-1895 годах.

В усыпальнице похоронены выдающиеся представители рода Голицыных. Здесь под чугунными плитами покоится прах Н.П. Голицыной (урожденной графини Чернышевой) и ее супруга В.Б. Голицына. По воспоминаниям современников, А.С. Пушкин изобразил Наталью Петровну в образе старой графини в «Пиковой даме», а сюжет был рассказан поэту внуком княгини. Здесь же похоронен ее сын, Дмитрий Владимирович (1771-1844), который более 20 лет был московским генерал-губернатором, участником Отечественной войны 1812 года и заграничных походов 1813-1814 годов, кавалером почти всех российских орденов, членом Государственного Совета. Рядом с ним покоится Татьяна Васильевна Голицына (урожденная княжна Васильчикова), статс-дама и супруга Д.В. Голицына, известная своей благотворительной деятельностью. Здесь же под чугунной плитой покоится прах еще одного героя войны 1812 года, генерал-лейтенанта князя Николая Яковлевича Голицына. Всего в храме более 30 захоронений представителей рода Голицыных.

В 1893-1894 годах был проведен ремонт фасадов и интерьеров храма. Необходимость ремонта была вызвана ветхостью интерьера. Монастырская братия в своем рапорте писала, что «штукатурка в некоторых местах потрескалась, иконостас потемнел, и живопись, как на иконах, так и на стенах и сводах, испортилась и загрязнилась, пол, где наслан из белого камня, выбился». Узнав о ремонте, князь С.М. Голицын обратился в Контору Синода с просьбой разрешить ремонт за свой счет, сделав вход в усыпальницу с улицы, а вход из церкви оформить в виде мраморной арки с резной дверью, существующую лестницу предлагалось расширить.

В 1894 году по проекту архитектора М.П. Иванова были пристроены каменные тамбуры с северного и южного фасадов, а также устроены притвор и новое крыльцо в трапезной части. Тамбур у портика северного входа в храм был разобран в 1950-е годы во время реставрационных работ, тогда же отреставрировали северный портик. Летом 1894 года были найдены подрядчики: иконописные работы выполнял И.М. Фролов, живописные и малярные работы, живописец из села Палех П.М. Соколов, плотничьи и столярные работы, С. Фомичев. В течение года был сделан новый иконостас «с добавлением нового яруса над местными иконами». В трапезной также установили два иконостаса «такого же рисунка, как и предалтарный, и вызолотили сплошь червонным золотом». На среднем столпе и стенах трапезной написали заново «16 священных изображений в фряжском стиле с золотом». Одновременно заменили все оконные рамы и двери, сделали новые мраморные подоконники и выстлали пол подольским камнем (песчаником). Внутреннее убранство храма сохранилось фрагментарно.

С 1930-х годов в храме находился отдел Музея архитектуры, где были собраны мемориальные памятники: скульптурные надгробия из храмов Донского монастыря, других московских монастырей и храмов, а также из подмосковных усадеб. Долгие годы здесь находился отдел мемориальной пластики и скульптуры Государственного научно-исследовательского музея архитектуры. Лишь в середине 1990-х годов, после вывоза музейных экспонатов, в храме были проведены реставрационные работы. Художниками-реставраторами были раскрыты росписи в основной части храма и в трапезной. На западной стене трапезной была раскрыта композиция «Нагорная проповедь», выполненная в 1895 году.

В настоящее время в храме сохраняется мемориальная скульптура из храмов Донского монастыря и усыпальницы Голицыных, а также мемориальные надгробные плиты над захоронениями представителей рода Голицыных и Щербатовых, и надгробия, перенесенные из Малого собора. В 2017 году были проведены реставрационные работы: воссоздание профилированных штукатурных панелей стен в усыпальнице, окраска стен и сводов, реставрация икон, изготовление и установка престола в алтаре, укрепление красочного слоя, восполнение утрат живописи. Также была произведена замена всех приборов отопления с прокладкой новых труб под плитами пола и устройством нового теплового ввода под крыльцом портика. Была выполнена молниезащита здания. В 2017 году Церковь Михаила Архангела стала лауреатом конкурса Правительства Москвы на лучший проект в области сохранения и популяризации объектов культурного наследия «Московская реставрация».