Рисунки для мозаик интерьера выполнили В. В. Беляев, Н. Н. Харламов, А. П. Рябушкин, Н. А. Кошелев, Н. П. Шаховской, А. Н. Новоскольцев и др. В главном нефе представлена, согласно канонам, земная жизнь Спасителя, в западной части — Страсти, Распятие и Воскресение, в восточной — сцены после Воскресения. Все мозаики выполнены на высочайшем уровне и поражают своим художественным единством. Мастерская Дж. Нови в Генуе изготовила из разноцветного мрамора по рисунку Парланда невысокий иконостас, увенчанный тремя крестами из горного хрусталя. Четыре иконы в нем написал Нестеров, местные образа — В. М. Васнецов. Иконы в царских вратах, отчеканенные из серебра на фабрике Хлебникова, исполнила из мозаики по эскизам Н. А. Бруни мастерская Фроловых.Богатейшую утварь поставили фирмы Хлебникова и Фролова, работавшие по рисункам С. Ф. Комарова, в мастерской известного ювелира П. Овчинникова был сделан двухпудовый оклад из серебра с эмалевыми вставками для напрестольного Евангелия. Серебряную дарохранительницу — уменьшенную копию храма, привезли из Костромы, а другую, из яшмы и орлеца, — с гранильной фабрики в Екатеринбурге.
После алтаря главное место в храме занимала великолепная сень, которую поддерживали колонны из серо-фиолетовой яшмы, венчал крест из топаза и окружала ажурная кованая решетка. Она стояла над сохраненным фрагментом булыжной мостовой, где произошло цареубийство. С сени свисали разноцветные неугасимые лампады, создававшие особое настроение печали и умиротворения. В день убийства здесь служили панихиду, а ежедневно — литию.
Известный знаток протоиерей Аристарх Израилев руководил изготовлением в Финляндии и настройкой колоколов храма, главный из которых весил 1100 пудов.
От Михайловского сада церковная территория отделяется изящной оградой, сработанной на заводе К. Винклера.
27.IV.1908 митрополит освятил стоявшую рядом с храмом Иверскую часовню-ризницу, где были собраны иконы, поднесенные в память о кончине Александра II, в том числе «Распятие», приписывавшееся В. Л. Боровиковскому. В 1888 храму был подарен крест с кусочками камней от Живоносного Гроба, Голгофы, Вифлеемской и Гефсиманской пещер.
С самого освящения настоятелем в соборе, имевшем приход, служил протоиерей Петр Иоаннович Лепорский, профессор догматики в Духовной академии.