Для получения данных о состоянии росписей реставраторы провели обследование штукатурного слоя методом простукивания и составили схемы разрушений. Затем в опасных местах проделали «окна», выпилив куски штукатурки, а образовавшуюся между штукатуркой и кирпичной кладкой полость залили негашеной известью и заполнили древесным углем, паклен и битым кирпичом. Известковый раствор, затвердевая, крепко связывал штукатурку со стеной здания собора.
Следующим этапом работ была расчистка росписей и их реставрация. Крупные утраты красочного слоя восполнялись путем лессировок, подмалевок, а утраченные фрагменты живописи воссоздавались по эскизам и картонам, хранящимся в Государственном Русском музее и в Академии художеств. Для более глубокого и подробного изучения авторской манеры художников, работавших в соборе, реставраторам пришлось делать множество копий;
В некоторых случаях изучение индивидуального живописного почерка было вызвано и более сложными причинами. Реставрация росписи Ф. А. Бруни в аттике западной части собора «Сотворение мира» еще в 1881 - 1882 годах была поручена реставратору Академии художеств П. К. Соколову. Картину предполагалось разделить на три части и, сняв со стены штукатурку вместе с живописью, перевести живописный слой на холст. Соколов успел снять со стены и перевести на холст фрагмент с изображениями Адама и Евы, составлявший примерно третью часть всей композиции. Готовый фрагмент натянули на подрамник и вмонтировали в картину, но во время Великой Отечественной войны он был утрачен, а при консервации это место затонировали.
В период реставрации росписи в 1958 - 1959 годах начались поиски утерянного фрагмента. Попытки найти фотографию, эскиз или подготовительный рисунок также оказались безрезультатны. Было решено восстановить фрагмент по «аналогии», используя в качестве образцов рисунки и картоны Бруни в работах, близких по сюжету к росписи «Сотворение мира». Под руководством Я. А. Казакова художники-реставраторы подготовили несколько вариантов изображений Адама и Евы, близких по решению к работам Бруни. Один из этих вариантов был принят, и в 1959 году художник В. Г. Корбан заново написал Адама и Еву.
Неожиданность подстерегала художников и при реставрации росписи Бруни «Пророк Иезекииль». На этот раз реставраторы обнаружили, что голова главного персонажа - Иезекииля - не подлинная. Еще в XIX веке штукатурный слой, на котором располагается роспись, стал под влиянием колебаний температуры и влажности отставать от кладки. Произвели реставрацию, и многие детали, в том числе голову пророка, вырезали вместе со штукатуркой, заменив другими. Кусок с изображением головы Иезекииля остался у реставратора С. Егорнова, а роспись он дополнил новым фрагментом, мало напоминающим оригинал Бруни. В этом легко было убедиться, сравнив живопись с подготовительными картонами Бруни, хранящимися в Русском музее. Там же обнаружили и оригинал росписи. Художник А. Н. Ступин тщательно скопировал и воспроизвел ее на своде.
Стремление выявить и утвердить авторскую манеру было характерно для работы над всеми живописными произведениями собора. В процессе реставрации, например, росписи центральной части сводов «Страшный суд» огромное значение имело использование подготовительных картонов Бруни, так как фоны наполовину были утрачены, а от потемневшего лака и загрязнений контуры фигур были почти неразличимы.
Большая работа была проделана при реставрации росписей барабана купола, изображающих апостолов. Некоторые из них оказались утраченными, и художники воссоздавали эти произведения, пользуясь небольшими эскизами К. П. Брюллова.
Реставрационные работы внутри собора.
Одновременно велась реставрация мозаик, которые благодаря специфическим свойствам этого вида искусства пострадали значительно меньше, чем живопись. Мозаики очистили от копоти, пыли, потеков, промыли, проштуковали открытые швы воском, а потускневшие участки отполировали войлоком и фетром.
Сложнее были работы по ремонту мозаик в парусах подкупольного барабана, находившихся в крайне аварийном состоянии. Еще в 1914 - 1917 годах, когда производилась замена живописи парусов мозаичными копиями, мозаика юго-восточного пилона (евангелист Матвей) была прибетонирована к массиву кладки, но монтажные швы поставили на временной мастике.
Мозаика северо-западного пилона (евангелист Иоанн) была установлена, но не прибетонирована, а швы вообще не были закрыты. Это привело к тому, что все металлические части мозаики северо-западного пилона покрылись коррозией, а временный набор на мозаике юго-восточного пилона начал осыпаться.
Приступив к работе, реставраторы с помощью металлических щеток и особых скребков удалили ржавчину с металлических конструкций и приступили к бетонированию пустот между мозаикой и кирпичной кладкой. Всего было уложено 9 квадратных метров бетона и израсходовано до 5 тонн портландского цемента.