В плане здание представлено в виде креста – главный, более длинный корпус пересекается с коротким, на месте пересечения расположен купол; звонница, за отсутствием колокольни, размещена в западном портале колоннады. Над средокрестием помещается световая глава храма, чей купол у основания дополнен люкарнами (окнами) в стиле барокко. Здание облицовано снаружи серым пудостским камнем – известняковым туфом, добываемым под Санкт-Петербургом.
Этот камень имеет множество интересных свойств. Он очень пористый, поэтому здания, облицованные туфом, выглядят гораздо старше. Камень меняет цвет в зависимости от погоды и освещённости: от серого до желтоватого (разных оттенков). Но из-за своей структуры пудостский камень сильно впитывает пыль и грязь, и в условиях петербургского климата это становится настоящей проблемой. Так как запасы туфа сильно истощились, при проведении реставрационных работ приходится искать замену этому камню.
Фасады собора украшают барельефы скульпторов И.П. Мартоса, И.П. Прокофьева, Ф.Г. Гордеева и Ж.Д. Рашетта. Над восточным порталом расположено замечательное по исполнению рельефное панно «Источение Моисеем воды в пустыне». Над западным порталом можно видеть панно «Воздвижение медного змия». С южной и западной сторон в портиках храма помещены 12 барельефов со сценами из жизни Пресвятой Богородицы. На аттике алтаря расположен барельеф «Вход Христа в Иерусалим».
Скульптурное убранство храма выполняли известные русские мастера С.С. Пименов, И.П. Мартос и В.И. Демут-Малиновский. В нишах северного портика высятся большие бронзовые статуи Иоанна Крестителя и апостола Андрея Первозванного, святых князей Владимира и Александра Невского. Средние входные двери собора отлиты мастером В. Екимовым из бронзы по образцу «Райских дверей» флорентийской баптистерии XV в. Врата состоят из десяти горельефов на библейские сюжеты (слева направо и сверху вниз): «Сотворение мира и грехопадение человека», «Жертвоприношение Авеля и убиение его Каином», «Убиение Моисеем египтянина и изведение евреев из Египта», «Жертвоприношение Авраама», «Прославление Мардохея», «Синайское законодательство», «Обретение чаши Иосифа в мешке Вениамина», «Благословение Иакова Исааком», «Обнесение ковчега вокруг Иерихона и падение Иерихонской стены», «Поражение гордого Никанора».
Внутреннее убранство поражает великолепием – колоннада из 56 коринфских колонн розового финского гранита с золочёными капителями и базами из бронзы проходит через всё пространство храма. Изумительная лепнина работы Ф. Торичелли и Б. Медичи украшает интерьеры Казанского собора; живописные работы здесь исполнили известные художники В.К. Шебуев, А.Е. Егоров, А.И. Иванов, Ф.П. Брюллов, С.С. Щукин, О.А. Кипренский, В.Л. Боровиковский и другие. Мозаичный пол собора выложен разноцветным мрамором, а ступени в алтарь изготовлены из красного шокшинского песчаника. Своды потолка украшены кессонами.
Нарядный серебряный иконостас был изготовлен А. Леблоном и Ф. Кретьеном. Герой войны генерал от кавалерии казак М.И. Платов прислал в дар храму 40 пудов (655,2 кг) отнятого у французской армии серебра. Позже архитектор К.А. Т о н использовал его для облицовки.
«Оставаясь серьёзным и торжественным, Воронихин умеет внести какое-то нежное очарование, какую-то поэзию и теплоту. Его собор не только поражает, но и привлекает, соединяя силу и нежность», – писал И. А. Фомин.
Интересно, что Казанский собор не достроен зодчим до конца. Нет симметрично расположенной колоннады с противоположной стороны здания. По плану, главный вход в храм располагался со стороны Казанской улицы, прямо напротив знаменитой решетки. Там сейчас есть вход, но он позиционируется как дополнительный, а прихожане и туристы входят в собор со стороны Невского проспекта, сбоку от алтаря. Зодчий планировал организовать три новые площади вокруг Казанского собора: одна выходила к Невскому проспекту, и она существует, вторая предполагалась перед главным входом – там сейчас Воронихинский сквер с фонтаном, и третью зодчий надеялся устроить между Екатерининским каналом и Казанской улицей – за собором. Она сейчас застроена жилыми домами XIX в.
Уникальная, не имеющая мировых аналогов планировка площадей вокруг Казанского собора не была закончена по причине отсутствия второй колоннады. От второй площади осталась только чугунная решётка с двумя гранитными массивами на концах её полукруга, совсем затерявшаяся в застройке Казанской улицы. Но гениальная по замыслу, великолепная по архитектуре решётка уже тогда создавала впечатление незаконченности ансамбля, сиротливо отгораживая образовавшийся сквер от близлежащих зданий. Кроме всего этого, у собора остались пустыми два постамента, предназначенные для статуй Архангелов Гавриила и Михаила, чьи гипсовые скульптуры, снятые в 1824 г., так и не заменили на бронзовые.