Затянувшееся на многие десятилетия строительство подходило к концу. Как говорилось выше, старое неудавшееся здание собора было разобрано в 1755 году. В 1763 году архитекторам Ж.-Б. Валлену-Деламоту, А. Ф. Висту, А. Ф. Кокоринову, Ю. М. Фельтену, С. А. Волкову и X. Кнобелю предложили разработать проекты нового собора. Ни один из проектов не получил «апробации» Екатерины II, и только через одиннадцать лет, 15 ноября 1774 года, составление проекта поручили тридцатилетнему архитектору И. Е. Старову. Выбор зодчего не был случайным. Вернувшийся всего шесть лет назад в Россию после пенсионерства во Франции, молодой зодчий быстро приобрел известность. В начале 1770-х годов он строит по заказу Екатерины II дворцовые ансамбли в Богородицке и Бобриках под Тулой. В 1772 году становится членом «Комиссии о каменном строении Санкт-Петербурга и Москвы». Талант его был признан, и он занимал видное положение среди зодчих Петербурга.
В феврале 1776 года проект, представленный Екатерине II — план, фасад, разрез и приложенная к ним смета,— был утвержден, и Старова назначили руководителем строительства. В архитекторские помощники ему дали М. Мелентьева — мастера опытного и исполнительного, двадцать шесть лет проработавшего на монастырской стройке.
Работы по возведению собора начались без промедления устройством глубокого и прочного фундамента, о добротности и надежности которого заботились особо, помня судьбу первого собора. Фундамент закладывали на площади несколько большей, нежели занимал старый собор Швертфегера. В отличие от него новый собор освобождал пространство двора и был более выдвинут за внешнюю линию восточных корпусов. Так как в плане он был значительно шире, чем предыдущий, то пришлось разобрать до трети по одному из ближних к нему уступов Духовского и Федоровского корпусов.
Фундамент закончили к 1778 году, и 30 августа, в годовщину переноса праха Александра Невского в Петербург, состоялась торжественная церемония закладки собора. В том же 1778 году Старов приступил к разработке модели собора, потом модели иконостаса и напрестольной сени, которые по его рисункам и чертежам и под его руководством изготовил «города Копенгагена вольный столярного дела мастер» Симон Соренсен. В своей работе на постройке собора архитектор вообще весьма часто прибегал к моделям, вплоть до модели петель для навески наружных дверей. Эта тщательность и продуманность, техническое совершенство в высшей степени характерны для Старова.
Впервые за последние двадцать пять лет на строительстве Александро-Невской лавры работал мастер такого масштаба. Огромный талант архитектора сочетался с высочайшим профессионализмом, дарованием строителя и волевого администратора. Все эти качества одного из крупнейших зодчих России в полной мере проявились в период возведения собора.
Постройку собора Старов вел в высшей степени организованно: обстоятельный перечень работ в их последовательности на год вперед, подробный список нужных материалов, заготовляющихся заблаговременно Конторой строения монастыря,— все это было непременным на протяжении всего строительства. О требовательности архитектора говорит и тот факт, что он, бывало, удерживал оплату до окончательной «апробации» выполненных работ, чтобы иметь возможность заставить подрядчиков без дополнительной оплаты добросовестно и в срок исправить неполадки и точно следовать во всем «по показанию архитекторскому». Благодаря такой требовательности строительство собора шло без задержек, и к октябрю 1786 года грандиозное здание, выполненное вчерне, уже высилось в конце Невской перспективы, окруженное каменным каре монастырских строений, садами и довольно беспорядочной застройкой левобережья Черной речки, состоящей из старых деревянных зданий. Положение ансамбля на главной магистрали города обязывало упорядочить его окружение и прежде всего «оформить» его выход к проспекту. Поэтому с 1783 года, в одно время с руководством строительства собора, Старов разрабатывает реконструкцию северной левобережной стороны монастырской территории, которая и была завершена к 1789 году.