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.
Охватив полуциркульными дугами низких каменных стен вновь организованную площадь, замыкающую Невский проспект, архитектор поместил по сторонам ее два двухэтажных скромных жилых здания и встроил в западное крыло полуциркуля одноэтажное здание богодельни. В центре полукольца, там, где и ранее был проезд, ведущий к мосту, у ворот каре, Старов воздвиг каменную Надвратную церковь, решенную в формах раннего классицизма. Невысокий купол, плавные линии кровли алтарного выступа и симметричного ему выступа, внутри которого размещена лестница, создают строгий силуэт здания. Архитектурный декор фасада прост — четыре плоских пилона, по два с каждой стороны ворот, подчеркивающие горизонталь невысокого и приземистого здания. Строительством Надвратной церкви и каменных стен Старов не только создал въезд на территорию монастыря, но и включил левобережье с каменной Лазаревской церковью и Лазаревским кладбищем в общий ансамбль.
Ко времени окончания Надвратной церкви, в 1786 году, в соборе начались отделочные работы, создавалось декоративное убранство здания, в котором приняли участие десятки великолепных мастеров,— скульптор Ф. Шубин, лепщики К. Фонтано и Ф. Ламони, мраморщик И. Пинкетти, резчики Ф. Кауш и И. Акимов, живописцы Я. Меттенлейтер, Ф. Данилов, Г. Угрюмов и многие другие, работы которых, за исключением первоначальной росписи собора, сохранились до сегодняшнего дня. К 30 августа (12 сентября н. ст.) 1790 года все работы по отделке собора были завершены.