Выступающие каннелированные колонны и пилястры из светло-розового и темно-красного тивдийского мрамора определяют основной тон декоративного решения. Светлые плоскости стен, украшенные филенками из желтого сиенского, зеленого генуэзского и темно-красного тивдийского мрамора, создают общий цветовой фон. Цокольная часть, выполненная из белого итальянского мрамора с цветными мраморными вставками, оканчивается внизу широким плинтом из черного сланца и служит переходом к серому мраморно-мозаичному полу, обрамленному фризом из красного шокшинского порфира.
Вверху, под архитравом большого антаблемента, тянется широкий, на высоту капителей, пояс из белого итальянского мрамора, украшенный инкрустацией из желтого и зеленого мрамора. Этот пояс объединяет плоскости стен собора и служит завершением всей композиции. Над большим мраморным антаблементом, также по всему собору, проходит аттик искусственного мрамора с живописными картинами, он заканчивается малым антаблементом из белого мрамора.
Четыре центральных пилона, облицованные профилированными плитами сиенского мрамора, своим теплым тоном оживляют интерьер.
Иконостасы, выполненные из белого итальянского мрамора, в сочетании с мозаичным панно и колоннами из малахита и лазурита, накладная золоченая бронза усиливают цветовой контраст.
Необычайно богатство декоративной скульптуры. Более двухсот пластических изображений евангелистов, пророков и ангелов, а также ряд многофигурных композиций, барельефов, дверей, сводов, иконостасов, исполненных на сюжеты христианской мифологии, составляют скульптурное убранство собора. Ведущая роль в оформлении интерьера принадлежит скульптору И. П. Витали, а также работавшим вместе с ним крупнейшим скульпторам середины XIX в. А. Логановскому, П. Клодту, Н. Рамазанову, Ф. Толстому, А. Беляеву, Р. Залеману и Н. С. Пименову.
Декоративному решению сводов и барабана главного купола уделялось основное внимание. Оформление сводов выполнено скульптором Витали при активном участии Залемана и Беляева. Обобщенные героические образы ангелов и пророков в сложных динамических позах дополняют живопись плафонов. Наиболее интересны статуи ветхозаветных пророков, облаченных в пышные одежды, выполненные в технике гальванопластики и позолоченные. Они трактованы в духе барочной итальянской скульптуры XVII в.
Одновременно с оформлением сводов Витали и его ученики работали над скульптурой барабана. В условиях указывалось: «Поелику значение фигур составляет часть скульптурного украшения, которое совершенно зависит от главного архитектора, сообразоваться с его мнением и держаться оного в точности относительно исполнения фигур и характера их» [61].
В пышном и разнообразном убранстве собора с точки зрения синтеза скульптуры, архитектуры и живописи барабан главного купола является наиболее удачным. Двенадцать высоких статуй ангелов-кариатид, выполненных в гальванопластике, выступают из стены, образуя вместе с пилястрами единую вертикаль, способствуя четкому членению барабана. Фигуры представлены в различных позах. Между скульптурами расположены двенадцать картин, изображающих апостолов. Живописность и пластическое разнообразие их усиливается позолотой. Хорошо освещенные позолоченные фигуры ярким пятном выделяются на фоне стены, создавая богатый декоративный эффект.
В сохранившейся алтарной части собора, возведенной по проекту Ринальди, Монферран сделал иконостасы малых алтарей — приделы св. Александра Невского и св. Екатерины, увенчанные золочеными скульптурными группами «Воскресение» и «Преображение» работы Н. С. Пименова. Группа «Воскресение», венчающая иконостас, состоит из пяти фигур. Композиционным центром является фигура Христа, стоящая на невысоком постаменте. В целом скульптурная группа соразмерна с архитектурными формами придела, удачно дополняет сохраненную отделку Ринальди, так же как и вторая композиция Пименова, сделанная для придела Александра Невского.
Общая устремленность творческих исканий в скульптуре 40–50-х гг. XIX в. постепенно склоняется в сторону реализма. Отход от установок и традиций классицизма проявляется в утрате эпической мощи, чувства героики. На их место приходит бóльшая конкретность образов.