Работы Сухова в Кремле позволили в ряде случаев выявить изт начальную планировку зданий, их взаимосвязь, своеобразие древних архитектурных форм. Вместе с Н. Н. Померанцевым он обстоятельно обследовал, освободив от позднейших наслоений, один из древнейших кремлевских памятников — церковь Воскрешения Лазаря (1393—1394 гг.). К наиболее интересным по своей методике и результатам работам Сухова в Кремле относится начатое еще в 1918 г. обследование и реконструкция Патриарших палат и примыкающего к ним собора Двенадцати апостолов. В перестроенном до неузнаваемости здании были восстановлены разрушенные своды, вскрыты внутренние лестницы и переходы, благодаря чему стала очевидной планировка XVII в., обнаружен проезд с Соборной площади на Патриарший двор.
Реставрационные работы в теремах велись во втором этаже — в так называемых палатах Жилецкой, Мастерских и северном коридоре, выходящем к церквам Екатерины и Ризположения. Здесь открылись древние проемы, фрагменты орнаментальных росписей рубежа XVIII—XIX вв. и великолепные резные белокаменные наличники окон. Были найдены и частично раскрыты лестницы, соединявшие верхние этажи теремов с переходами, которые вели к западному входу в Успенский собор, обнаружен широкий одноарочный проезд под теремами, по которому некогда возки подъезжали прямо ко входу в личные палаты теремов.
Храм Василия Блаженного Сухов начал изучать еще в студенческие годы, а позднее участвовал в ремонтных работах 1896—1899 гг., руководимых академиком С. И. Соловьевым. 21 мая 1923 г. в соборе был открыт филиал Государственного Исторического музея, и с этого времени началось планомерное научное исследование здания и его реставрация, продолжавшиеся под руководством Д. П. Сухова до 1937 г.
Сухов исследовал нижние части собора, претерпевшие ряд утрат и перестроек. Благодаря выявлению древних крылец, арочные основания которых ярко выделяли столпообразную форму здания, открылась, по выражению Сухова, «ясная картина богатой композиции галереи». При реставрации крылец удалось найти и восстановить сложный и богатый по рисунку профиль цоколя основных стен памятника и базы столбов, поддерживающих площадки галерей и лестниц. Как писал Сухов в своих статьях, эти работы дали ценный научный материал, касающийся конструктивных особенностей и композиционных приемов в строительстве собора. Восстанавливая цоколь столба галереи и обратив внимание на способ разметки его размеров и формы, Сухов предложил интересную гипотезу о том, что подобным же способом могли быть размечены и основания храмов на выровненной площадке подклета (галереи). Ему также принадлежит высказанная на основании исследований мысль об изначальной двухцветной окраске собора — красного тона стен и белых деталей.
В личности Сухова органически соединялись качества ученого и художника. Его акварели имеют самостоятельную художественную ценность. Он выставлял свои живописные работы как художник-пейзажист в Московском обществе художников в первые годы своей архитектурной деятельности. Две большие выставки акварелей — рисунки и реконструкции древних зданий, архитектурные композиции, эскизы театральных декораций — состоялись в Москве в 1958 и 1980 гг.
Вместе с тем рисунок и живопись в работах Сухова подчинены предмету реставрации. Его архитектурные композиции — это рисунки-гипотезы, связанные с исследованием того или иного памятника. В них прослеживаются такие темы, как истоки русского искусства, зодчества Москвы, история постройки собора Василия Блаженного, памятников Крыма, Киева, Новгорода, к которым он возвращается постоянно. Его рисунки объединяют разновременные произведения Сухова и выявляют главные направления его изысканий. Порой богатые идеями акварели Сухова реализуют высказанную им мысль о правомерности существования научной фантазии как одного из приемов реконструкции облика древних сооружений. Выполненные на основе ограниченных археологических и летописных данных, они играют роль модели исчезнувшего памятника, не дающей, по мнению Сухова, ни единственного, ни окончательного решения: на основании тех же фактов у других ученых могут возникнуть иные реконструкции, и именно это в конечном счете приблизит представление о памятнике к его истинному облику.