Вместе с тем тыльный вал князь распорядился поднять на высоту до 8 м при ширине у основания 20 м. С внутренней стороны валы вымащиваются мелким камнем, что позволило защитникам быстро взбегать на верхнюю площадку, занимая оборону за сравнительно низкой дубовой стеной (в рост человека). В северо-восточной части города валы расступались, давая место въездной башне. Другие стояли по углам крепости. Хорошо продуманная система обороны Звенигорода свидетельствует об изобретательности княжеских горододельцев. Однако ее несколько «облегченный» характер говорит, что князь Юрий рассматривал Городок скорее как временное укрепление.
На самом высоком месте холма, ближе к его южному краю, обращенному к Москве-реке, примерно в 1417- 1422 гг. был построен белокаменный Успенский собор. Строившие его зодчие руководились теми художественными навыками и приемами, которые сложились в архитектуре Москвы к концу XIV в. Нетрудно заметить их стремление создать единое и ясное по своей природе здание. Храм не осложнен ни башнями, ни галереями, ни притворами, которые были так характерны для владимиро-суздальского зодчества. Все просто, даже, можно сказать, сурово. Высоким, стройным и вместе с тем торжественно-величавым объемом высится Звенигородский собор «на Городке». Его стены членят тонкие колонки с оригинальными капителями, отдаленно напоминающими готические формы. Круглое оконце на западной стене, освещающее внутристенную лестницу, своей многолепестковой розеткой также заставляет вспомнить образцы западного средневековья. Обрамляющие окна тонкие валики с небольшой подсечкой подчеркивают приоритет глади массивных стен. Тройная лента плоского резного в камне орнамента обегает собор почти на половине его высоты, завершает полукруглые выступы апсид. Она наделяет строгую архитектуру собора изысканной, почти неуловимой нарядностью, так свойственной сербским орнаментальным формам (Москва в это время поддерживала оживленные сношения с Балканами).
Замысловато был решен верх собора. Над килевидными закомарами на углах некогда виднелись так называемые диагональные кокошники. Более мелкие по размеру венцом охватывали подножие барабана главы. Ныне остатки этого завершения скрыты под поздней четырехскатной крышей. Крест на главе, превосходный по красоте рисунка, относится к концу XVII в., когда в соседнем Саввино-Сторожевском монастыре велись большие строительные работы.
Стройные по формам, типичные для московской архитектуры XV в. порталы обрамляют входы в собор. Здесь внутри, согласно традиционным приемам, высятся четыре столба, несущие своды. В западной части устроены хоры для княжеской семьи. Однако столбы несколько раздвинуты, создав более свободное незатесненное в центре собора пространство. Своды помещены ниже, чем подпружные арки, несущие световой барабан, что создало более единое, более цельное завершение храма. В целом в Звенигороде в начале XV в. был построен памятник, сыгравший видную роль в дальнейшем развитии русского каменного зодчества.
Заботясь об украшении своей резиденции, князь Юрий пригласил Андрея Рублева для росписи собора. Великий русский художник прибыл в Звенигород со своими учениками. Видимо, им принадлежат фрески, сохранившиеся на западных гранях восточных столбов. Здесь в круглых обрамлениях помещены поясные изображения Лавра и Флора (от последней фрески уцелели лишь фрагменты). Тонкие цветовые сочетания, знакомые нам по палитре прославленного живописца Древней Руси, позволяют думать, что он следил за работой своих помощников.
Недаром известный историк искусства И. Грабарь после их открытия говорил: «.. .кто хочет получить представление о фресках начала XV в., должен ехать отныне в Звенигород… Небывалое сочетание трех цветов, объединенных как трезвучие в музыке, нежность и деликатность оттенков, легкость туше», – вот отличительные особенности этих превосходных произведений мастеров круга Рублева. Ниже этих фресок расположены другие – Варлаам, Иосаф и Пахомий с ангелом, но они уступают верхним фрескам. Существующий ныне иконостас относится к концу XVII в.