Работами руководили помощники А.Н. Померанцева – русские архитекторы Александр Александрович Яковлев и Александр Николаевич Смирнов. С болгарской стороны в строительстве приняли участие архитекторы Петко Момчилов, Янакий Шамарджиев, Ю. Миранов, Т. Петров, инженер Г. Лазарев и др. В 1915 г. болгарский царь Фердинанд, недоброжелательно настроенный по отношению к России, воспротивился тому, чтобы храм носил имя русского святого, и собор Александра Невского был переименован во имя святых Кирилла и Мефодия; заменены памятные доски, изменено расположение икон. Только в 1919 г., когда Фердинанд был вынужден отречься от престола и покинуть Болгарию, Святейший Синод обратился к правительству с просьбой отменить решение о переименовании собора. Вопрос был внесён в Народное Собрание, которое возвратило собору первоначальное наименование. 12 сентября 1924 г., в день празднования памяти князя Александра Невского, митрополитом Пловдивским Максимом было совершено освящение главного алтаря храма в честь Александра Невского, северный придел во имя Кирилла и Мефодия был освящён 13 сентября, а южный (во имя царя Бориса) – 14 сентября. Собор Александра Невского занимает центр большой площади, носящей его имя. Крестово-купольный собор (площадь 70х52 кв. м., объём 86 тыс. м, высота главного купола 45 м, колокольни 50 м, накупольных крестов около 5 м, главный барабан 16 м в поперечнике) вмещает более 5 тыс. человек. С северной, восточной и южной сторон собор опоясывают крытые галереи, в восточной их части размещаются ризница и библиотека. Цоколь собора облицован серым гранитом. Ведущие в храм дубовые двери украшены резьбой, исполненной в древнеболгарском стиле. Колокола собора Александра Невского отлиты в литейной П.Н. Финляндского (Москва). Два наибольших по величине колокола украшены барельефными медальонами-изображениями святых, рельефные орнаменты и надписи имеют пять больших колоколов, у семи остальных надписи выгравированы. Самый большой колокол весит 11758 кг, самый маленький –  около 16 кг, звон колоколов слышен за 30 км. В украшении собора Александра Невского принимали участие выдающиеся русские и болгарские художники: профессор П.Е. Мясоедов (Господь Саваоф в главном куполе), профессор М. Судковский («Таинство Святой Евхаристии» над горним местом главного алтаря, серафимы на стенах боковых галерей), профессор И. Мрквичка («Отрок Иисус среди книжников в храме» в северной нише), В. Болотнов («Брак в Кане Галилейской» в южной нише), академик А.А. Киселёв («Страшный Суд» над хорами, напоминающий фреску Виктора Михайловича Васнецова во Владимирском соборе в Киеве), Алексей Михайлович Корин («Воскрешение Лазаря» и «Нагорная проповедь»), Н. Маринов («Укрощение бури»), А. Белковский («Мария Магдалина»), академик Г. Желязков («Святой Иоанн Рыльский, отвергающий царские дары»), академик Александр Никанорович Новоскольцев, профессор А. Митов, профессор Б. Михайлов, Николай Дмитриевич Кузнецов, Д. Киплик, Х. Тачев, Х. Берберов, В. Димов, Н. Петров, Вахрамеев, Ланской, Шелковой, Родзянко и др.