Сорок лет из семидесяти двух Монферран отдал собору, который стал не только лучшим творением зодчего, но и вошел в число самых значительных культовых сооружений мира. Высота здания достигает 101,5 метра, внутренняя площадь составляет более 4 тысяч квадратных метров, вместительность – до 12 тысяч человек. Это четвертый по величине храм в мире.
Собор покоится на монолитном фундаменте, возводившемся в течение пяти лет. В грунт было забито 24 тысячи свай. Несмотря на это, осадка происходила неравномерно, что успел заметить его создатель еще в процессе строительства. Сбывались предостережения опытных мастеров о нежелательности сочетания новых и старых зданий в одном объеме. Осадка пошла неравномерно по оси юго-восток – северо-запад. С неприятным и опасным явлением пришлось бороться на протяжении всего XIX века. К счастью, в ХХ веке процесс замедлился. Даже строительство метрополитена не нанесло собору значительного вреда.
Монферран прибег к приемам, позволяющим уменьшить массу сооружения. В частности, вес купола облегчен за счет использования металлических конструкций. В фундаменте, стенах и стилобате купола сооружены галереи. Внутри верхняя часть стен и своды были облицованы легким искусственным мрамором вместо натурального.

Среди других величественных соборов Исаакиевский выделяется гигантскими колоннами, опоясывающими здание. На портиках и вокруг барабана купола установлены 72 колонны из гранитных монолитов весом от 64 до 114 тонн. Впервые в мировой строительной практике колонны такого размера поднимались на высоту более 40 метров. Камень добывался на берегу Финского залива, недалеко от Выборга. Для их доставки и установки потребовалось разрабатывать специальные технические средства. Этот опыт в будущем помог Монферрану справиться с непростой задачей установки Александровской колонны на Дворцовой площади.

Традиционно купола кафедральных соборов покрывали золотом. Большой купол диаметром более 25 м. и четыре маленьких было решено золотить огневым способом. На это было израсходовано 100 кг золота. Листы меди тщательного натирали амальгамой (сплавом золота и ртути) и помещали на раскаленные угли, чтобы улетучилась ртуть.

Обычно нагрев производили не более 5 минут, так как при сильном и длительном нагревании часть золота выпаривалась вместе с ртутью. Если изделие, покрытое золотом, имело тусклый вид, то температуру нагрева повышали, что давало возможность полностью удалить ртуть, и изделие приобретало более интенсивную желтую окраску.

Для приготовления золотой амальгамы золото предварительно измельчали, затем нагревали до красного каления и погружали в ртуть, нагретую до 300° С. Смесь непрерывно размешивали до полного растворения золота. Амальгаму наносили на обезжиренную, протравленную и высушенную поверхность металла. Золочение каждого листа делали трижды. Подобный метод позволил сохраниться позолоте купола собора без повреждений на протяжении более чем полутора веков.

Работы с ртутью были чрезвычайно вредны, вызывали тяжелые отравления. При золочении куполов Исаакиевского собора в 1838–1841 годах от действия ее паров погибло 60 рабочих.

Еще до окончания строительных работ в 1841 году началось декоративное оформление храма. Архитектура собора гармонично дополнена живописью и скульптурой и составляет с ними единый ансамбль. Скульптура объединяет архитектурные объемы, подчеркивая значение элементов здания. Над этим трудились известные мастера того времени: И.Витали, И.Герман П.Клодт, Ф.Лемер, Л.Логановский, Н.Пименов.

Цикл росписей и картин посвящен библейским и евангельским сюжетам. Их создавали крупнейшие представители русской академической школы того времени, хотя привлекались и менее известные мастера: Н.М.Алексеев, П.В.Басин, А.Е.Бейдеман, К.П.Брюллов и Ф.П.Брюллов, Ф.А.Бурни, И.К.Дорнен, Х.Дузи, С.А.Живаго, Ф.С.Завьялов, Н.Майков, А.Т.Марков, К.А.Молдавский, Ч.Муссини, А.Никитин, Т.А.Нефф, Э.Плюшар, Ф.Рисс, В.Сазонов, П.М.Шамшин, В.К.Шебуев, К.Штейбен.

Наиболее ярко синтез искусств проявился в оформлении барабана большого купола. Его украшают живописные изображения апостолов, между которыми располагаются 12 статуй ангелов. Купол украшает роспись “Богоматерь во славе” (площадью свыше 800 квадратных метров), начатая Карлом Брюлловым и законченная Басиным.

В целом внутреннее убранство Исаакиевского собора поражает исключительной красочностью, разнообразием отделочного материала. На позолоту деталей интерьера ушло 300 кг золота. Для отделки стен было использовано 20 видов различного декоративного камня, такого как мрамор различных сортов, малахит, порфир, лазурит.

Из-за невозможности поддерживать в соборе постоянную температуру и влажность, необходимые для сохранения живописи, было принято решение выполнять изображения в технике мозаики. Чтобы передать все богатство красок живописи, художники использовали смальту более 12 тысяч оттенков цвета. Благодаря этому удалось передать не только богатство цвета, нежные оттенки, но и различную фактуру: холодный блеск клинков, мерцание струящихся атласных тканей, живое тепло человеческих рук. Мозаичные работы для Исаакиевского собора начались с 1851 г. по 1917 годы.

Уникальным декоративным элементом, совершенно несвойственным для православных храмов, является витраж в главном алтаре с образом Спасителя. Это изображение восхищает красотой, сочностью, тонкостью и свежестью цветов. Витраж изготавливался на Мюнхенской королевской фабрике.