天安門城樓正中門洞的上方懸掛的是各族人民最敬愛的偉大領袖毛澤東主席的彩色巨幅畫像。畫像板外框高6.4米，寬5米，框心畫像高5.8米，寬4.4米。
1949年開國大典懸掛的毛主席畫像與現在不同。那時，懸掛的是一幅頭戴八角帽，身穿粗呢子製服在解放區最流行的一張毛主席畫像。畫家們在開國大典之前，將毛主席畫像掛在了天安門城樓上。周恩來同誌對慶典的各項準備工作非常關心，他在10月1日清晨最後察看天安門裝飾工作中，發現畫家們把宣傳畫下麵標有“毛澤東”三個黑體字也一同描寫在了畫像的下方。周恩來看後感到這樣不妥，並說：“毛主席那麽不謙虛，還自己喊自己毛澤東。”要求趕快采取措施把三個黑體字塗去。
此時，離慶典活動還有幾個小時，要想把巨幅畫框取下來再作處理已來不及了，畫家們急中生智，立刻爬上工人們搭起的高高腳手架，用灰藍色顏料把畫像下麵的白邊連同黑色的字體塗成中山裝的顏色，又在延長的身體部位的服裝上加了一個扣子，使其協調而不失比例。這就是城樓上懸掛的第一幅毛主席畫像。
懸掛在天安門城樓上的毛主席畫像按慣例在每年的國慶節前更換一次。畫像已換版七次。第一版為1949年開國大典懸掛的頭戴八角帽的毛主席畫像；1950年至1952年懸掛的毛主席正麵短發穿綠呢上衣的畫像為第二版；1953年至1968年懸掛的是毛主席側麵像為第三版。1969年至今懸掛的是第四版毛主席正麵像。
從1971年起，更換城樓正中的毛主席畫像的任務，一直由北京市建築總公司五建公司擔任。每次從搬運到懸掛工人們都格外謹慎，從公司抽調來的30個身強力壯的工人來到天安門院內畫像棚，先用繩子經棚頂上的滑輪吊起一噸多重的像框，十幾個人托起框底，卡車倒進棚裏，裝上車後在人的指揮引導下，運到城樓下，再用吊車吊起，換下懸掛了一年的舊畫像。據該公司的李貴友老師傅介紹：“原來參加搬運主席像的人都要經過嚴格的政治審查，1985年後政審雖然取消，但在每次搬運時，單位都要先給工人開會，講搬運毛主席像的重要性。”這些年來，該公司出色地完成了懸掛毛主席像的任務。
1994年前的毛主席畫像板是由21塊五合板和鋁板製成，不僅易變形翹角，且影響畫像整體效果。1994年國慶45周年時，在大規模粉刷、裝飾天安門城樓的同時，對天安門城樓中央的毛主席畫像板也進行了更換。更換後的畫像板為一整塊采用新工藝研製而成的平麵玻璃鋼，彌補了以前的不足，增強了畫像效果，使毛主席畫像更加光彩奪目。
五十年代，每逢“五一”、“十一”節日時，城樓正中懸掛毛主席畫像，廣場東側豎立馬克思、恩格斯畫像，西側豎立列寧、斯大林畫像。“十一”國慶節與“五一”勞動節不同的是在紀念碑北側增設孫中山畫像，與城樓正中毛主席畫像相對，掛像時間為節日前後一周。
“文化大革命”期間，天安門南、北兩麵及端門南北兩麵均掛有毛主席像。1975年將天安門北麵和端門南北麵毛主席畫像撤除。
1980年，根據中央“關於堅持少宣傳個人的幾個問題”的指示，天安門廣場隻保留天安門城樓毛主席畫像，今後在必要的時候才懸掛馬、恩、列、斯等導師的畫像。1989年4月，中央決定對節日禮儀活動進行改革。此後，“五一”勞動節和國慶節期間，天安門廣場隻豎立孫中山先生畫像，不再豎立馬、恩、列、斯等導師畫像。中央作出這樣的決定，是因為世界上大多數國家節日期間主要都是懸掛本國民族英雄的畫像。孫中山是中國近代革命的先驅，毛澤東主席為首的中國共產黨在中國近代長期的革命鬥爭中，領導中國人民推翻了三座大山，締造了中華人民共和國。所以，我們在乎時懸掛毛主席的畫像，在“五一”、“十一”等重大節日期間，擺放孫中山的畫像。不再豎立馬、恩、列、斯的畫像，絲毫不意味中國對馬克思主義的態度有何變化，我們的立國之本是四項基本原則，毛澤東主席的革命實踐活動和毛澤東思想本身就體現了馬克思主義同中國革命實際相結合。
