Знакомство с христианскими памятниками античного периода и восходящими к ним храмами, освоение архитектурного наследия Антонио Палладио позволили Н.А. Львову (как и другим архитекторам эпохи Просвещения, совпавшей в России с «золотым веком» классицизма) использовать арсенал античной архитектуры в церковном строительстве. Следуя принципам палладианства, Н.А. Львов обращался к типам и формам античных построек как к образцам идеальных храмовых сооружений, органично вписанных в ландшафт. Исследователи отмечают, что образы городских и монастырских соборов, спроектированных Н.А. Львовым, восходят к античным и раннехристианским храмам Рима, Константинополя, Афин и Иерусалима. Усадебные церкви с семейными мавзолеями ориентированы на иконографию мартириев раннехристианских мучеников, а также комплексов императорских мемориальных усыпальниц. Исследователи отмечают, что первым и самым значительным церковным сооружением по проекту Н.А. Львова, которое принесло ему славу, стал собор праведного Иосифа Обручника в Могилёве (1781–1798 гг., не сохранился). Собор, заказанный императрицей Екатериной II в память встречи с императором Австрии Иосифом II, отражал идеи так называемого Греческого проекта и ориентировался на иконографию собора Святой Софии в Константинополе. Кубический объём с плоским двойным куполом на низком барабане был удлинён западным притвором с греко-дорическим портиком, напоминавшим о Парфеноне. Алтарь в форме ротонды был подобен Кувуклии в храме Гроба Господня в Иерусалиме. Скупая декорация стен включала ордерные элементы (фризы, карнизы), ниши со скульптурой. Почти точной копией собора в Могилёве исследователи называют церковь Петра и Павла в деревне Переслегино (Загорье Торжокского района; 1785–1803 гг., заказчик Марк Фёдорович Полторацкий; ныне в руинированном состоянии) с добавлением к западному портику двух колоколен. Большой купол этого храма напоминал Пантеон и один из проектов собора святого Петра в Ватикане. Другой копией собора исследователи называют Знаменскую церковь в селе Маклаки Думиничского района Калужской области (1803–1818 гг., заказчик князь С.Н. Львов). Исследователи отмечают, что образ собора Святой Софии в Константинополе приобрёл чрезвычайно важное значение в русской архитектуре последней четверти XVIII – начале XIX вв. К нему восходят произведения других знаменитых архитекторов, например, Преображенский (Софийский) собор в Царском Селе архитектора Чарльза Камерона (1782–1788 гг.) и множество повторений в памятниках провинции. Сходные формы были использованы Н.А. Львовым при перестройке собора Борисоглебского монастыря в Торжке (1785–1796 гг.). Центрический квадратный собор с крупным плоским куполом на низком гранёном барабане, с палладианскими колонными портиками на фасадах дополнен четырьмя малыми угловыми барабанами глав, что приближало его к традиционному для древнерусского зодчества пятиглавию. Исследователи отмечают, что архитектурный облик такого собора в сочетании с конструкцией двойного купола нашёл отражение в церкви Казанской иконы Божьей Матери в усадьбе Вонлярлярских Рай (ныне деревня Смоленского района и области; 1814–1818 гг., архитектор Михаил Никифорович Слепнёв). Церковные проекты Н.А. Львова близки к творчеству Дж. Кваренги. Большинство из них представляют собой центрические здания с разнообразной конфигурацией планов.