Центральной проектно-реставрационной мастерской и Экспериментально-строительной площадкой Академии архитектуры СССР с 1949 по 1954 г. в Троицком соборе Троице-Сергиевой лавры производились реставрационные работы. За работой наблюдала авторитетная комиссия во главе с И. Э. Грабарем. В Комиссию входили профессор Н. П. Сычев, Д. П. Сухов, П. Д. Барановский и художник П. И. Нерадовский.
Сергей Сергеевич Чураков руководил бригадой молодежи, своих учеников, состоящей сначала из одного Ивана Сергеевича Чуракова, а в дальнейшем туда вошли Ирина Ватагина, Леонид Грачев и Евгений Утенков. Сергею Сергеевичу шел 42-й год, он был квалифицированным специалистом, имеющим большой опыт работы в области реставрации.
Это была не первая работа Сергея Сергеевича в стенах лавры. Так, с осени 1946 г. по весну 1948 г. он преподавал в Загорском реставрационном училище, а летом во главе бригады реставрировал два зала митрополичьих покоев. В 1951 г. вместе с М. Н. Соколовой (мон. Иулианией) участвовал в росписи Серапионовой палаты, и им была написана композиция «Чудесное видение птиц преп. Сергию».
Возвратимся непосредственно к реставрации Троицкого собора. Стенопись расчищалась из-под трех слоев, двух масляных и одного темперного. Причем верхняя запись лежала на толстом 0,3—1,5-миллиметровом слое крепкой, как кость, масляной шпаклевки. Под темперной записью находился слой проолифленной копоти, чрезвычайно трудно поддающейся удалению. Не менее сложными были и другие реставрационные процессы: укрепление грунта и красочного слоя, художественная ретушь с дополнениями утрат живописи. Непосредственно Сергеем Сергеевичем были укреплены (не считая участков, сделанных совместно с учениками) известково-казеиновым раствором композиция «Искушение Христа в пустыне», левая часть «Страшного Суда», праотцы в западной подпружной арке, «Притча о блудном сыне», особо аварийный участок в южном коробовом своде и др. Если до реставрации была надежда найти значительные участки стенописей Андрея Рублева и Даниила Черного, особенно в верхних частях собора, то по мере продвижения работы стало ясно, что сохранилась только стенопись 1635 г., а прежняя была сбита со стен при ее написании.
Перечисленные выше участки и композиции фресок Сергей Сергеевич тонировал. Кроме того, им выполнены картоны — общий эскиз восстановления утраченной на 80% живописи западной стены собора, общий эскиз утраченной на 80—85% росписи диаконника, сделана подборка материалов по оставшимся фрагментам и для восстановления стенописи (например, композиции на южной стене «Достойно есть»). Также выполнены картон настенной летописи собора по периметру (по всем трем стенам); для западной стены — левая группа апостолов (ноги и головы ангелов), правая группа апостолов, Престол с Евангелием и рука Божия с душами праведных, лики праведных, народы, предстоящие Суду, Весы и предстоящие Суду души, «Видение пророка Даниила», «Богоматерь в раю», «Лоно Авраамово», «Милостивый блудник», «Ад», «Христос и грешница», «Бесноватый», ангел «Благое молчание».
На стене непосредственно Сергеем Сергеевичем были исполнены «Богоматерь в раю», «Лоно Авраамово», ангел «Благое молчание», «Милостивый блудник», «Ад», «Христос и грешница», «Бесноватый», два великомученика по картону Утенкова, на северо-западном столпе частично пророк Даниил и ангел.
Будучи художественно одарен, обладая мастерством, умением работать в технике древнерусских стенописцев, Сергей Сергеевич со всей ответственностью, понимая роль свою как старшего, старался брать на себя самые сложные и, возможно, не самые эффектные в зрительном плане участки. Он легко мог написать сложную надпись в стиле древнерусского шрифта, утраченную композицию. В 1944 г., после показа копий с фресок Ферапонтова, Ростова, Ярославля, Тутаева, Рыбинска, Новгорода и других городов, он был принят в секцию монументального искусства МОССХ. В 1947 г. прошла большая выставка его работ и работ художницы Н. И. Толмачевской в московском Доме архитекторов.
Во время работы в Троицком соборе Сергей Сергеевич обратился со служебной запиской к руководству ЦПРМ, где выражал свое беспокойство и озабоченность формально-бюрократическим воспитанием молодых специалистов, объяснял свое понимание этого вопроса, сам предлагал меры для исправления такого положения дел и ставил вопрос о приглашении квалифицированного специалиста-химика и организации химической лаборатории.
Как всегда, Сергей Сергеевич наряду с реставрационной работой занимался и научно-исследовательской. Ему как специалисту, знатоку древнерусских стенописей XVII в. и мастеров стенного письма ярославской и костромской школ, Оружейной палаты, непосредственное соприкосновение с памятником дало большой материал для подготовки работы «О иконографическом плане росписи Троицкого собора в Загорске».
В 1960 г. в Академии художеств проходила юбилейная сессия, посвященная 600-летнему юбилею Андрея Рублева. 17 сентября со своим докладом «О фресках Троицкого собора в Загорске» выступил Сергей Сергеевич. Но, к сожалению, напечатана эта работа была уже после его неожиданной кончины, т. е. в 1971 г,, во втором сборнике «Андрей Рублев и его эпоха» под редакцией М. В. Алпатова. Работа была довольно сильно отредактирована и местами сокращена, опубликована под названием «Отражение рублевского плана росписи в стенописи XVII в. Троицкого собора Троице-Сергиевой лавры». В ней дан глубокий сравнительный анализ иконографического плана собора, сделаны тонкие наблюдения над тематическими и художественными особенностями росписи, обращается внимание на композиции, которые могли появиться только во время написания фресок. Мастера старались расположить композиции на тех же самых местах собора, где они располагались в XV в., и стремились по возможности к строгому повторению рисунка. На основании многочисленных доводов и аргументов, касающихся характеристики стенописей, Сергей Сергеевич делает главный вывод: «Наше изучение иконографического плана стенописей Троицкого собора дает нам право утверждать, что в сохранившейся росписи XVII в. Троицкого собора до нас дошел первоначальный иконографический план его росписи XV в.».