Уже при окончании постройки собора вчерне, в 1841 году, была большая разница в осадке западной и восточной частей здания. Спустя 30 лет наиболее тяжелая часть здания сильно просела, а более легкие портики получили наклон к центральной части. Колонны дали крен. Работы по их выпрямлению производились с 1873 по 1898 год под руководством академика Сабанеева. Сущность работ заключалась в следующем. Верхняя часть колонны вырубалась, а перекрытие портика поддерживалось специально построенными деревянными лесами. Между нижним основанием колонны и ее гранитным пьедесталом забивались блонзовые клинья. Затем на место вырубленного верха колонны устанавливались гранитные блоки, которые должны были принимать на себя тяжесть всего перекрытия. Колонны приводились снова в вертикальное положение. Так были выпрямлены колонны всех четырех портиков. Несмотря на значительный объем этой реставрации, следует отметить недостаточную научную обоснованность работ: многое было сделано вприкидку, «на глаз», без применения геодезических инструментов.
Лишь в советское время реставрации стали производиться на строго научной основе, демонстрируя ведущие принципы советского реставрационного дела. Уже в 1927 году по инициативе Главнауки были проведены работы по нивелировке здания собора. Эт0 позволило определить направление и интенсивность наклона. Выяснилось, что западная часть здания имеет осадку на 48 сантиметров больше восточной.
В связи с этим в 1928 году были проведены работы по укреплению гранитных пьедесталов под наиболее наклонившимися колоннами и углов четырех колоколен. Прежде всего сняли бронзовые базы колонн. Оказалось, что часть пьедесталов имела большие трещины и сколы. Для предохранения колонн от обрушения гранитные пьедесталы были стянуты железными хомутами, а трещины заделаны цементным раствором.
В 1939 году была проведена повторная, более точная нивелировка основных частей здания, давшая картину деформаций, происшедших за 12 лет. В основном нового крена колонн не наблюдалось, а в отдельных случаях изменения положения колонн были настолько незначительны, что можно было не опасаться за их прочность.
В 1941 - 1942 годах провели еще одну нивелировку сводов верхнего перекрытия, вскрывшую причины деформации сводов, характер и направление трещин, создавшихся от неравномерной осадки. В соответствии с полученными данными своды были укреплены.
Нивелировочные работы показали, что процесс деформации приостановился.
В ходе послевоенной реставрации нивелировочные работы производились неоднократно. Наиболее полными из них были работы 1968 года. В это время неподалеку от здания собора прокладывали линию метро и было решено проверить, не отразится ли это неблагоприятно на фундаментах собора.
Трест геодезических работ и инженерных изысканий провел исследования, к процессе которых выявилось, что в 1968 году по сравнению с 1961 годом колонны имеют небольшое отклонение в другую сторону. Это позволило сделать вывод, что колонны совершают постоянное круговое движение. Их отклонение незначительно, исчисляется в миллиметрах и на устойчивость здания не влияет.
Обобщение данных нивелировок доказывает, что положение здания стабилизировалось, осадки прекратились, а деформации, происходившие последние 100 лет, не угрожают его сохранности.
Одновременно с решением конструктивных проблем было уделено внимание и наружной реставрации здания. Очищена и отполирована мраморная облицовка южного фасада, очищена бронзовая скульптура южного портика, пострадавшего во время войны. При обстреле один из снарядов попал в юго-западный угол и повредил антаблемент с модульонами. В реставрации нуждались и карнизные плиты большого антаблемента и мраморные модульоны.
В ходе реставрации Государственная инспекция по охране памятников предложила заменить все существовавшие мраморные модульоны и вставки в карнизах, а также поврежденные мраморные блоки на медные.
Архитектор А. Л. Ротач обосновал метод, успешно примененный при реставрации 1873 - 1898 годов, состоявший в устройстве модульонов из листовой меди, окрашенной под мрамор. Экспертиза специалистов нашла предложение правильным, и оно было реализовано.
Началась очистка купола от защитной окраски. Слой маскировочной краски осторожно снимали, а затем сантиметр за сантиметром золоченую поверхность купола промывали спиртовой эмульсией и протирали сукнами и войлоком. Эта трудоемкая работа Проводилась на большой высоте бригадой верхолазов.
Постепенно купол освободился от серой защитной окраски военного времени и вновь порадовал ленинградцев и гостей города великолепием позолоты. В повторном золочении он не нуждался: несмотря на все невзгоды, очень прочная позолота XIX века прекрасно сохранилась до наших дней.
Не золотили повторно и капители пилястр и колонн интерьера здания, в свое время позолоченные «через огонь». Правда, пленка золота, покрывающая их, слегка потускнела, поэтому капители и другие бронзовые детали были промыты спиртом.