В плане собор представлял собой равноконечный крест. Внешняя часть была оформлена двойным рядом мраморных горельефов работы скульпторов Клодта, Логиновского и Рамазанова. Все входные двери – всего двенадцать – были выполнены из бронзы, а украшающие их изображения святых отлиты по эскизам известного скульптора графа Ф. П. Толстого. Современников восхищали размеры храма: он мог вместить до 10,000 человек.
Богатое внутреннее убранство храма Христа Спасителя состояло из росписей и украшений из камней – лабрадора, шошкинского порфира и итальянского мрамора. Над украшением храма работали прославленные русские живописцы – В. Верещагин, В. Суриков, И. Крамской. По периметру здание опоясывала галерея, которая стала первым музеем войны 1812 года. На стены галереи были вмонтированы мраморные доски, на которых в хронологическом порядке перечислялись все сражения русской армии, назывались имена военачальников, отличившихся офицеров и солдат.
