25–26 августа 1912 г. собор стал центром столичных торжеств в связи со 100-летием Отечественной войны. После крестного хода из Исаакиевского собора литургию в присутствии великой княгини Марии Павловны возглавил архиепископ Выборгский и Финляндский Сергий (Страгородский). Проект юбилейного оформления составил архитектор Иван Александрович Фомин. Большая часть трофеев после выставки в Москве в 1913 г. была передана в Исторический музей. В Казанском соборе сохранились лишь пять наполеоновских штандартов, знамя и ключи от шести городов. Из-за ошибок, допущенных при строительстве собора, и сырости 17 апреля 1814 г. с потолка упал кусок штукатурки весом около 63 кг. В результате последовавшего ремонта был демонтирован плафон «Коронование Богоматери» (Василий Козьмич Шебуев, 1807–1811 гг.), погибли все барельефы интерьера, кроме двух, и лепнина, за исключением капителей пилястр. Собор значительно изменился в царствование императора Николая I. В 1826 г. по проекту бывшего помощника А.Н. Воронихина архитектора П.С. Филиппова в храме начались ремонтные работы, которые были продолжены в 1828 г. Анри Луи Огюстом Монферраном. В 1828 г. в парусах были выполнены изображения евангелистов (Алексеем Тарасовичем Марковым – апостол Марк, Александром Васильевичем Нотбеком – апостол Иоанн, Фёдором Григорьевичем Солнцевым – апостол Матфей, Николаем Михайловичем Тверским – апостол Лука). В 1829 г. основные работы были завершены. В том же году по инициативе императора был объявлен конкурс на сооружение нового иконостаса. В конкурсе участвовали 16 архитекторов, 3 марта 1834 г. в нём победил Константин Андреевич Тон (конкурсные проекты Александра Павловича Брюллова, Василия Ивановича (Вильяма) Гесте, А.И. Мельникова, О. Монферрана, Иосифа Иосифовича Шарлеманя хранятся в Научно-технической библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета). Иконостас был изготовлен на фабрике Жиля Герена (вес серебряной облицовки 100 пудов) и освящён 22 октября 1836 г. митрополитом Серафимом (Глаголевским). Иконостас выполнен в лаконичных классицистических формах, его основу составляли четыре яшмовые колонны коринфского ордера. Круг золотого сияния над царскими вратами, излучаемого Всевидящим Оком (выполнен по проекту А.Н. Воронихина), К.А. Тон и его помощник А. Росси сохранили и увенчали широкой аркой, соответствующей линиям арок и сводов здания. Большие запрестольные образы в академической традиции исполнили Фёдор Антонович Бруни («Покров Богородицы», 1840 г.), Пётр Васильевич Басин («Введение во храм», 1841 г.) и Карл Павлович Брюллов («Взятие Богородицы на небо», 1842 г.). При устройстве нового иконостаса его средняя часть была «углублена» в сторону алтаря, а боковые крылья увеличены. В них были помещены иконы небесных покровителей семьи императора Николая I работы Василия Кондратьевича Сазонова и Фёдора Павловича Брюллова (святителя Николая, равноапостольного Константина, апостола Петра – В.К. Сазонов, Русский музей; св. царицы Александры, св. Александра Невского, пророчицы Анны, св. Елизаветы, равноапостольной Ольги). В 1862–1866 гг. академик Иван Алексеевич Тюрин осуществил реставрацию икон и росписей собора.