В связи с приездом Елизаветы Петровны в Москву Ухтомский выполнил проект и построил близ Лефортовского дворца здание Сената в Немецкой слободе (1753—1757).
Ухтомскому предстояло создать крупное сооружение, внушительный облик которого должен был со всей выразительностью и «пристойностью» свидетельствовать о правительственном и общественном назначении сооружения. Старый, почти квадратный в плане двухэтажный дом лейб-медика Лестока был превращен Ухтомским в центральную часть возводимого здания. Торжественность, монументальность придавал зданию купол, который покоился на центральном выступе сооружения. Он возвышался над двухэтажным портиком, увенчанным разорванным фронтом и украшенным по сторонам скульптурными фигурами, аллегорически изображавшими гражданские доблести, и государственным гербом. Под гербом был расположен парадный вход в здание, к которому вели сложно разработанные изогнутые лестницы. Центральному портику отвечали боковые, в которых помещались служебные входы. Портики имели треугольные фронтоны, также украшенные аллегорическими фигурами, и завершались небольшими куполами. Промежуточные части фасада были оформлены пилястрами.
В здании Сената наметились первые существенные особенности архитектуры этого времени. Помимо представительности и общего парадного облика это были П-образный план с подъездным двором, монументальная ордерная композиция центральной части здания с главным портиком, ее купольное покрытие – как архитектурно-художественное и смысловое завершение всего архитектурного целого.
Схемы казенного здания общественного назначения и городских московских и загородных усадеб послужили основой для дальнейшего развития и всесторонней разработки типа этих сооружений в будущем. Образцы их получили законченное воплощение в творчестве учеников Ухтомского – мастеров московского классицизма.
Ухтомский много работал в Московском Кремле. Он делал обмеры старых памятников, производил их реставрацию, перестраивал и строил новые сооружения, занимался благоустройством кремлевской застройки.
Ухтомский принимал участие в строительстве Кремлевского дворца по проекту Б. Растрелли, производил починку соборов, колокольни Ивана Великого, разрабатывал проект недостроенного еще тогда Арсенала.
Новатор, убежденный поборник современной ему архитектуры, Ухтомский смело проектировал рядом с древними памятниками Москвы сооружения, выполненные в формах русского зодчества нового времени.
Показателен в этом отношении его проект перестройки части здания старых приказов для временного размещения Сенатской конторы, строения которой были снесены в связи со строительством нового дворца. Также не были связаны формально с архитектурой древних кремлевских памятников галерея для хранения имущества Оружейной палаты (проект 1755 года, закончена в 1764 году П. Никитиным) и проект переустройства Ивановской площади (1754). Вся композиция и обрамление площади были выдержаны в проекте в духе барочного декора.
В свои произведения Ухтомский никогда не переносил без переработки детали древнерусского зодчества и не применял поверхностной стилизации старины, что можно объяснить его безоговорочным утверждением главенствующей роли новой архитектуры в московском зодчестве середины XVIII века. Отказавшись от буквального повторения приемов и деталей допетровского зодчества, Ухтомский заменил это внешнее воспроизведение форм тонким и проникновенным претворением в своих произведениях жизнеспособных традиций прошлого, переосмыслением испытанных архитектурно-художественных средств старых русских мастеров.
Ухтомский строил и культовые сооружения: церковь на Лазаревском кладбище (1748—1750), колокольню церкви Параскевы Пятницы (1740-е годы) и др. Лучшее среди них – прославленная колокольня Успенского собора в Троице-Сергиевой лавре (1741—1770).
При посещении лавры Елизаветой Петровной в 1753 году, Ухтомский поднес ей для утверждения проект перестройки колокольни, возводимой первоначально по чертежам И. Шумахера. Императрица одобрила замысел зодчего, который представил колокольню в виде высотного триумфального строения, отвечавшего идеям и вкусам времени.
Ухтомскому удалось без существенных изменений уже построенной части превратить заурядное, маловыразительное сооружение в высокохудожественное произведение, вошедшее в русскую архитектуру 18-го столетия как один из совершенных ее памятников. Архитектор видел несоответствие возводимого строения тому значению, которое оно должно было иметь в ансамбле монастыря. Приземистая, тяжеловесная колокольня, запроектированная Шумахером, была чуть выше собора и поэтому не могла стать в ансамбле лавры необходимой высотной доминантой, не способствовала объемно-пространственному обогащению ансамбля Ухтомский направил свое внимание, прежде всего, на устранение этого недостатка. Он максимально развил ввысь ствол колокольни, предельно используя запасы прочности, заложенные в ней Мичуриным при ее основании.