В 1806 г. академик Феодосий Иванович Яненко начал писать запрестольные иконы для главного алтаря «Богоматерь Нерушимая Стена», «Св. Иоанн Предтеча» и «Св. Иоанн Богослов» (утрачены) и делать роспись «Тайная вечеря» в конхе алтарной апсиды. После смерти художника в 1809 г. их завершил С.А. Бессонов (1809–1811 гг.). Степан Семёнович Щукин – автор икон «Благовещение» для главного иконостаса (утрачена), «Бегство в Египет» для южного придела (музей истории религий), «Св. Александр Невский» для главного иконостаса (Русский музей), «Апостол Прохор» для южных дверей северного придела (Русский музей). В музее истории религий сохранились иконы, написанные для Антониево-Феодосиевского придела: «Обручение Девы Марии с праведным Иосифом» Ивана Потаповича Чернова и «Св. Иоанн Богослов» Ивана Филипповича Тупылева для главного иконостаса (между 1804 и 1810 гг.), «Обрезание Господне» Романа Максимовича Волкова (после 1809 г.), «Воскресение Христово» работы Анфиногена Логиновича Шустова (около 1811 г.), «Явление Христа св. Марии Магдалине» и «Моление о чаше» Александра Лаврентьевича Витберга (около 1811 г.). В музее истории религий находятся иконы из придела Рождества Пресвятой Богородицы «Архидиакон Стефан» Михаила Фёдоровича Воинова (северные врата), «Вход Господень в Иерусалим» Евстихия Васильевича Мошкова, «Христос между апостолами по Воскресении» А.С. Канунникова, «Поклонение волхвов», «Воскрешение Лазаря» и «Взятие Богородицы на небо» П. Угрюмова, «Вознесение» и «Сошествие Святого Духа» И.Ф. Тупылева, «Св. Мария Магдалина» Александра Григорьевича Варнека (парная икона «Апостол Иоанн Богослов» утрачена), царские врата и образ «Преподобный Сергий Радонежский» Ивана Потаповича Чернова. В местном ряду главного иконостаса находились иконы небесных покровителей императоров Павла I и Александра I, в приделе Рождества Пресвятой Богородицы – императриц Екатерины II и Марии Фёдоровны. Большинство икон боковых и главного иконостасов, а также плащаница работы И.Ф. Тупылева утрачены. Не изучены 18 изображений апостолов между первым и вторым рядами окон по периметру храма, написанных М.Ф. Воиновым, Р.М. Волковым, А.И. Ивановым, Г.И. Угрюмовым, С.С. Щукиным, Я.Ф. Яненко. Над резным царским местом, изготовленным из различных сортов мрамора по проекту А.Н. Воронихина, находилась надпись: «Сердце Царево в руце Божией». Под куполом были помещены аллегорические фигуры Веры, Надежды, Любови (бронзовщик Пётр Петрович (Пьер) Ажи); паникадило в 180 свечей изготовил бронзовщик Ж. Герен. После 1814 г. сохранилось только два алебастровых барельефа в полуциркульных нишах над входами в собор: над северным – «Взятие Христа под стражу в вертограде» Я.И. Рашета и над южным – «Несение Креста» («Шествие Христа на Голгофу») Феодосия Фёдоровича Щедрина. За живописные работы в соборе С.А. Бессонов, М.Ф. Воинов, А.Е. Егоров и Василий Козьмич Шебуев были удостоены звания академиков, В.Л. Боровиковский был пожалован бриллиантовым перстнем. Высочайшее благоволение объявлено С.А. Бессонову, А.Г. Варнеку, А.И. Иванову и И.П. Чернову, крестом ордена св. Владимира награждены А.Е. Егоров и В.К. Шебуев. Уже во время Отечественной войны 1812 г.