天安门城楼正中门洞的上方悬挂的是各族人民最敬爱的伟大领袖毛泽东主席的彩色巨幅画像。画像板外框高6.4米，宽5米，框心画像高5.8米，宽4.4米。
1949年开国大典悬挂的毛主席画像与现在不同。那时，悬挂的是一幅头戴八角帽，身穿粗呢子制服在解放区最流行的一张毛主席画像。画家们在开国大典之前，将毛主席画像挂在了天安门城楼上。周恩来同志对庆典的各项准备工作非常关心，他在10月1日清晨最后察看天安门装饰工作中，发现画家们把宣传画下面标有“毛泽东”三个黑体字也一同描写在了画像的下方。周恩来看后感到这样不妥，并说：“毛主席那么不谦虚，还自己喊自己毛泽东。”要求赶快采取措施把三个黑体字涂去。
此时，离庆典活动还有几个小时，要想把巨幅画框取下来再作处理已来不及了，画家们急中生智，立刻爬上工人们搭起的高高脚手架，用灰蓝色颜料把画像下面的白边连同黑色的字体涂成中山装的颜色，又在延长的身体部位的服装上加了一个扣子，使其协调而不失比例。这就是城楼上悬挂的第一幅毛主席画像。
悬挂在天安门城楼上的毛主席画像按惯例在每年的国庆节前更换一次。画像已换版七次。第一版为1949年开国大典悬挂的头戴八角帽的毛主席画像；1950年至1952年悬挂的毛主席正面短发穿绿呢上衣的画像为第二版；1953年至1968年悬挂的是毛主席侧面像为第三版。1969年至今悬挂的是第四版毛主席正面像。
从1971年起，更换城楼正中的毛主席画像的任务，一直由北京市建筑总公司五建公司担任。每次从搬运到悬挂工人们都格外谨慎，从公司抽调来的30个身强力壮的工人来到天安门院内画像棚，先用绳子经棚顶上的滑轮吊起一吨多重的像框，十几个人托起框底，卡车倒进棚里，装上车后在人的指挥引导下，运到城楼下，再用吊车吊起，换下悬挂了一年的旧画像。据该公司的李贵友老师傅介绍：“原来参加搬运主席像的人都要经过严格的政治审查，1985年后政审虽然取消，但在每次搬运时，单位都要先给工人开会，讲搬运毛主席像的重要性。”这些年来，该公司出色地完成了悬挂毛主席像的任务。
1994年前的毛主席画像板是由21块五合板和铝板制成，不仅易变形翘角，且影响画像整体效果。1994年国庆45周年时，在大规模粉刷、装饰天安门城楼的同时，对天安门城楼中央的毛主席画像板也进行了更换。更换后的画像板为一整块采用新工艺研制而成的平面玻璃钢，弥补了以前的不足，增强了画像效果，使毛主席画像更加光彩夺目。
五十年代，每逢“五一”、“十一”节日时，城楼正中悬挂毛主席画像，广场东侧竖立马克思、恩格斯画像，西侧竖立列宁、斯大林画像。“十一”国庆节与“五一”劳动节不同的是在纪念碑北侧增设孙中山画像，与城楼正中毛主席画像相对，挂像时间为节日前后一周。
“文化大革命”期间，天安门南、北两面及端门南北两面均挂有毛主席像。1975年将天安门北面和端门南北面毛主席画像撤除。
1980年，根据中央“关于坚持少宣传个人的几个问题”的指示，天安门广场只保留天安门城楼毛主席画像，今后在必要的时候才悬挂马、恩、列、斯等导师的画像。1989年4月，中央决定对节日礼仪活动进行改革。此后，“五一”劳动节和国庆节期间，天安门广场只竖立孙中山先生画像，不再竖立马、恩、列、斯等导师画像。中央作出这样的决定，是因为世界上大多数国家节日期间主要都是悬挂本国民族英雄的画像。孙中山是中国近代革命的先驱，毛泽东主席为首的中国共产党在中国近代长期的革命斗争中，领导中国人民推翻了三座大山，缔造了中华人民共和国。所以，我们在乎时悬挂毛主席的画像，在“五一”、“十一”等重大节日期间，摆放孙中山的画像。不再竖立马、恩、列、斯的画像，丝毫不意味中国对马克思主义的态度有何变化，我们的立国之本是四项基本原则，毛泽东主席的革命实践活动和毛泽东思想本身就体现了马克思主义同中国革命实际相结合。
