Базилика высотой 71,6 м, имеющая в плане латинский крест, вытянута на 72,5 м вдоль Невского проспекта. Ширина храма – 56,7 м, площадь – 1056 кв. сажён. Казанский собор принадлежит к так называемым большим неоклассическим соборам Европы XVIII в. По мнению исследователей, «структура Казанского собора очень близка к рассуждениям французских теоретиков классицизма об идеальной форме храма», основанным «на античной теории Витрувия, на наследии раннехристианской церковной архитектуры и на теоретических текстах восточнохристианских отцов Церкви о значении храма и его частей». Исследователи отмечают, что оформление центрального купола и западного портика воспроизводит мотивы храма св. Женевьевы (Пантеона) в Париже (1758–1790 гг., архитектора Жака-Жермена Суфло). Дуга колоннады и купольный объём, занимающий центральное место в композиции, соответствуют формам здания Французской академии (Коллежа четырёх наций, 1661–1665 гг., архитектора Луи Лево); по мнению исследователей, влияние на А.Н. Воронихина оказали работы Мари-Жозефа Пейра и Василия Ивановича Баженова. Главными прототипами послужили соборы св. Петра в Риме и св. Павла в Лондоне. По мнению исследователей, формы собора отразили архитектурные вкусы императора Павла I. Вселенское значение Казанского собора подчёркивало наличие таких прототипов собора, как церкви Санта-Мария-Маджоре в Риме, Сан-Марко в Венеции, Санта-Мария-делле-Грацие в Милане (архитектор Донато Браманте), упоминаемые в переписке А.Н. Воронихина с И.Е. Старовым, а также базилики коринфского ордера – Рождества Христова в Вифлееме (с ней сравнивал Казанский собор Андрей Николаевич Муравьёв «по внутреннему крестообразному расположению и красоте колонн»), Сан-Паоло-фуори-ле-Мура в Риме. Редко встречающаяся коринфская канеллированная колоннада собора, возведённая впервые в русской архитектуре, напоминает и о любимом императором Павлом древнеримском храме в Ниме, изображения которого украшали его загородные резиденции. Эти храмы император видел во время поездки по Европе в 1781–1782 гг. Таким образом, Казанский собор отчасти стал реминисценцией его «культурологического» путешествия. Купол пролётом в 17,1 м на высоком световом барабане в восточной части базилики, с люкарнами у основания к концу XVIII в. стал типичным элементом санкт-петербургской церковной архитектуры. Сам архитектор сопоставлял его с «древней великокняжеской короной российской», напоминая о державном храмоздателе императоре Павле и подъёме перед войной национального, прежде всего, исторического, самосознания. Сильно выступающие квадратные в сечении коринфские пилястры, окружающие барабан, будучи связаны со стенами, значительно повышают его устойчивость к распору купола. Применение впервые в мире металлической стропильной конструкции купола (в виде радиально расходящихся рёбер), покрытой луженым железом, было главным технологическим новшеством при строительстве. В устройстве купола из двух–трёх оболочек исследователи видят влияние архитектуры как церкви св. Женевьевы, так и Свято-Иосифовского собора в Могилёве, построенного Н.А. Львовым в 1781–1798 гг.