Только в 1773 г. рабочие приступают к возведению стен храма с пятью куполами и пристроенной высокой колокольней. Снаружи здание сразу облицовывают мрамором. Но после смерти императрицы Екатерины II работы приостановились, хотя новый император Павел I настаивал на скорейшем завершении строительства. Архитектор В. Бренна изменил проект и закончил здание в кирпиче, но облицевать его полностью мрамором не смог. Так и стоял Исаакиевский собор наполовину мраморный, а наполовину – кирпичный.
Офицер Акимов написал по этому поводу знаменитую эпиграмму:
Автору отрезали язык и сослали на вечное поселение в Сибирь.
Так оставаться долго не могло, и в 1816 г. государь император Александр I Павлович назначил молодого французского зодчего Огюста де Монферрана «императорским архитектором», поручив ему подготовить проект нового Исаакиевского собора. Император пожелал оставить фундамент и существующие стены.
В апреле 1825 г. окончательно утвердили второй проект архитектора, хотя работы начались ещё в 1818 г., по первым планам Монферрана. За пять лет в основание фундамента вбили 10 768 свай.
В это время в каменоломне под Выборгом шла добыча гранитных монолитных глыб для колонн собора. Работа с колоннами осуществлялась по той причине, что технология их установки требовала от Монферрана возвести портики храма до постройки его основных стен. К осени 1830 г. построили портики, бόльшую часть старого здания разобрали, оставив только алтарную часть.
Следующим этапом строительства стало возведение опорных пилонов и кирпичных стен, толщина которых достигала в некоторых местах 5 метров. Одновременно стены покрывали мраморными плитами. В процессе работ использовали металл для сооружения перекрытий и стропил. После устройства основания купола были подняты наверх двадцать четыре колонны, далее рабочие принялись возводить сам купол, который решили сделать полностью металлическим. Отливку конструкций производили на заводе Ч. Берда и использовали для этого 490 тонн железа, 990 тонн чугуна, 49 тонн меди и 30 тонн бронзы. В 1838–1841 гг. при помощи ртути провели золочение купола.
В 1858 г. состоялось торжественное освящение нового столичного собора. На богослужении присутствовали император Александр II, его семья и представители высшей знати Империи. Автор проекта архитектор Монферран прожил чуть больше месяца после освящения храма, и вскоре возникла городская легенда о том, что зодчему была предсказана смерть после завершения строительства грандиозного храма. Поэтому так долго, почти сорок лет, он и строил Исаакиевский собор.
Новый Исаакиевский собор поражал воображение. Его высота более 100 метров при длине и ширине, близких к 100 метрам, а диаметр купола (наружный) почти 26 метров. Ряды гранитных колонн и светло-серая облицовка мрамором стен достойны восхищения. Каждый из фасадов храма уникален и требует некоторого комментария.
В сторону Невского проспекта обращён восточный фасад храма. Фронтон портика украшен здесь барельефом скульптора Ф. Лемера «Исаакий Далматский останавливает императора Валента». Надпись на фризе собора: «На Тя Господи уповахом, да не посрамимся во веки». Эта часть здания украшена скульптурами работы И.П. Витали. Здесь Иаков – первый мученик среди апостолов. За стойкость веры его обезглавили в Иерусалиме. Симон Кананит изображён с пилой, орудием его мученической смерти. Тут же сидит евангелист Лука, проповедавший в Италии, Греции и Македонии.
Противоположный, западный фасад продолжает историческое повествование жития Исаакия Далматского. Барельеф на фронтоне портика исполнен скульптором И.П. Витали и повествует о единении духовной власти и светской – «Встреча Исаакия Далматского с императором Феодосием». В левом углу барельефа изображён сам архитектор О. Монферран в полуобнажённом виде с макетом собора. Из скульптурного убранства здесь установлены евангелист Марк (со львом), мученически погибший в египетской Александрии. С крестом и скребком показан апостол Варфоломей, проповедовавший в Индии, Африке и Армении. Последним установлен памятник апостолу Фоме. В левой руке он держит угольник, правую протянул перед собой. Надпись по фризу: «Царю царствующих». С этой стороны расположен главный вход в собор.