Внутреннее убранство собора, решение интерьеров представляют известный контраст сдержанности внешнего декора. Это сказывается не только в большей насыщенности, но в разнообразии примененных в отделке интерьера материалов — бронза, алебастр, разные сорта мрамора, дерево и т. д.
Собор поражает огромностью своего внутреннего пространства, организованностью его, величием главного нефа. Разделив собор на три нефа могучими пилонами, Старов декорировал их сдвоенными каннелированными колоннами коринфского ордера, над пышными золочеными капителями которых нависает карниз сложного, богато обработанного антаблемента со статуями святых и апостолов, созданных Шубиным[18]
.Свет, пронизывающий подкупольное пространство, эффектно выделяет шедевр архитектора — алтарь собора. В апсиду, повторяя плавность и мягкость ее очертаний, вписана арка царских врат и колоннада, огибающая полукругом престол. Алтарь создавали по рисункам и модели Старова мраморщик И. Пинкетти, «бронзовых и медных дел мастера» и позолотчики П. Ажий, А. Сандос, К. Эст-Берг и И. Тумм, «столярный мастер» Ф. Кауш, а живопись царских врат и иконостаса выполнена Я. Меттенлейтером и профессором Академии художеств И. А. Акимовым. Золоченая бронза изящного рисунка царских врат с овалами живописных вставок, мерцающее золотом сияние над ними выделяются в тонкой цветовой гамме мраморов алтаря — белого итальянского с малиновыми прожилками, зеленого рускольского и вставками сибирского агата. Бронзовые розеты кессонов, покрывающих арку врат и падугу алтарной ниши, сияние над аркой, позолота пилястр и архитрава фасадной стены апсиды и ниши, капителей колоннады и балясин балюстрады дополняют строгую и благородную изысканность убранства алтарной части собора.
За правым клиросом, на возвышении, находилась до переноса в Эрмитаж знаменитая серебряная рака Александра Невского. Напротив нее — царское место с портретом Екатерины II работы Д. Левицкого, впоследствии переданным в Государственный Русский музей, так же, как и другой шедевр русского портретного искусства,— барельефное изображение митрополита Гавриила на фоне Троицкого собора, выполненное Ф. Шубиным и находившееся первоначально в интерьере собора за левым клиросом. Вскоре после окончания строительства в собор был передан ряд полотен из Эрмитажа, принадлежащих (или приписываемых) крупным мастерам западноевропейского искусства. Это «Богоматерь с младенцем», приписываемая Гверчино, «Спаситель», приписываемый А. Ван-Дейку, «Сретенье» Э. Лесюэра и некоторые другие[19]
. Среди полотен и икон, переданных в собор или специально для него заказанных,— работы Г. Угрюмова, П. Дрожжина, И. Уткина, Я. Меттенлейтера, Т. Неффа и еще многих мастеров XVIII и XIX столетий, которые и ныне сохраняются в интерьере собора, как и изображения евангелистов на парусах купола, написанные в 1788 году Я. Меттенлейтером.Первоначальные росписи сводов, арок и купола не сохранились. Расписывал собор Ф. Данилов по сырому грунту, закончив работу к открытию собора. Но уже в 1806 году, во время ремонта, сбили рельефную отделку внутри купола и записали «апостольские лики», гирлянды и арабески Данилова. По рисунку архитектора Д. Кваренги, руководившего реставрацией, новую роспись с использованием мотива кессонов исполнил А. Джиакомо.
Следующий капитальный ремонт 1862—1863 годов внес новые изменения. Вся живопись на стенах, сводах и в куполах была обновлена, вернее заменена по рисункам профессора Академии художеств Е. Солнцева академиком живописи П. Титовым, записавшим и всю поверхность пилонов «под мрамор». В 1868 году живописцы М. Трощинский и Г. Прокофьев, а в 1887 году С. Садиков внесли свою лепту в обновление соборной живописи.
В настоящее время, после капитальных научно-реставрационных работ, которые продолжались с 1957 по 1960 год, интерьеру собора возвращен первоначальный облик: раскрыты росписи Кваренги—Джиакомо, отреставрирована скульптура Ф. Шубина, многие произведения живописи, лепнина и позолота[20]
. Если учитывать, что Ф. Данилов отклонился от проекта Старова, «по идее которого своды следовало украсить кессонами»[21], то ныне существующая роспись, стилистически гармонирующая с архитектурным и декоративным решением интерьера, по всей видимости, максимально приближена к замыслу великого зодчего.