В плане собора А.Н. Воронихин соединил схему латинского креста с купольной композицией, что раньше было применено архитектором Иваном Егоровичем Старовым при проектировании Троицкого собора Александро-Невской лавры; при этом купол доминирует в восприятии всех фасадов. Органично связаны основной массив собора и колоннады за счёт единого антаблемента, а также пилястр одинаковой высоты и общего ордера. Это позволило скрыть асимметрию сооружения (со стороны Невского проспекта), соответствовавшую облику римского прототипа, и составило основное отличие проекта А.Н. Воронихина от предложений других архитекторов и самого образца. Проезды в углах колоннады соединили здание с набережной канала и существовавшими прежде улицами. По мнению Германа Германовича Гримма, в творчестве А.Н. Воронихина впервые в истории русского искусства колоннады обрели значение элементов, оформляющих подходы к зданию, и переходных мотивов, связывающих его с пространством города, таким образом была решена сложная градостроительная задача. Во внутреннем пространстве собора центральные рукава планового креста представляют собой сводчатые залы, отделённые колоннами от более узких боковых нефов. Купол на высоком барабане, возведённый над средокрестием, поддерживают четыре пилона. Иконостас, исполненный по проекту А.Н. Воронихина, располагался между колоннами и представлял собой преграду, украшенную пилястрами, антаблементом и аттиком (разобран после 1830 г.). А.Н. Воронихин был также автором скульптурного оформления храма, в том числе тематики, размеров и местоположения статуй и барельефов. Первоначально он предполагал поместить статуи в каждом портике собора, но был украшен лишь северный портик, обращённый на Невский проспект, где установили изображения равноапостольного князя Владимира (скульптор Степан Степанович Пименов), апостола Андрея Первозванного (скульптор Василий Иванович Демут-Малиновский), Иоанна Крестителя (скульптор Иван Петрович Мартос), князя Александра Невского (скульптор С.С. Пименов). Фасады собора украсили 12 барельефов, посвящённых Божьей Матери (сохранились «Взятие Христа под стражу» (в нише над северным входом) и «Шествие Христа на Голгофу» (внутри храма в нише над южным входом) скульптора Феодосия Фёдоровича Щедрина); предполагались скульптурные изображения и в интерьере храма (большинство утрачено). После закладки собора в 1801 г., доработав проект, А.Н. Воронихин предложил расширить композицию путём создания второй полукруглой площади с колоннадой перед южным фасадом собора, прямой колоннады у западного фасада и большой полукруглой площади, ограниченной высокой оградой, перед ним (проект 1810 г., не осуществлён).