Собор имеет в плане форму латинского креста.
К фасаду, обращенному на Невский проспект, примыкает грандиозная колоннада из 96 поставленных в четыре ряда коринфских колонн. Колоннада охватывает широкую полукруглую площадь перед собором, ее крылья замыкаются монументальными порталами, решенными как сквозные проезды. Колоннады обрамляют также северный и западный фасады храма. Всех колонн вокруг собора — 136; высота каждой колонны около 13 м, Пол колоннады гранитный. Против западных дверей собора была сделана чугунная полукруглая решетка, по краям которой предполагалось поставить на гранитных пьедесталах высеченные из гранита статуи святых апостолов Петра и Павла.
Длина собора с запада на восток — 72,5 метра, с севера на юг — 56,7 метра. Высота с куполом — 71,6 метра. Главный корпус храма протягивается с запада на восток и пересекается более коротким корпусом; над местом их скрещения возвышается купол. При его сооружении А. Н. Воропихин впервые разработал и применил металлическую конструкцию. Возможно, именно этим объясняется относительно небольшая, не вполне соразмерная с пропорциями всего храма, величина купола: его диаметр лишь слегка превышает 17 м.
Во внешнем оформлении собора широко использована скульптура. Рельефное панно над восточным порталом — "Источение Моисеем воды в пустыне" — выполнено И. П. Мартосом, над западным — "Воздвижение медного змия" — И. П. Прокофьевым. На аттике алтарного выступа полуциркульной формы, на юго-восточном фасаде собора, обращенном к Екатерининскому каналу, помещен третий крупный барельеф "Вход Христа в Иерусалим", созданный французским скульптором Жаном Домиником Рашеттом. С южной, западной и северной сторон собора в его портиках помещены 12 барельефов, изображающих события из жизни Пресвятой Богородицы; они выполнены скульпторами Ф. Г. Гордеевым, И. П. Мартосом, Ж- Д. Рашеттом, Кащенковым. Особенно замечательны барельефы Ф. Г. Гордеева "Благовещение", "Поклонение пастырей", "Поклонение волхвов" и "Бегство в Египет". Под барельефами в нишах северного портика установлены бронзовые изваяния святого благоверного князя Владимира, апостола Андрея Первозванного, Иоанна Крестителя и святого Александра Невского. Статуи святых князей Владимира и Александра Невского — работы скульптора С. С. Пименова, статую Иоанна Крестителя изваял И. П. Мартос, а статую Андрея Первозванного — В. И. Демут-Малиновский.
Обрамленные мрамором бронзовые двери на северном фасаде Казанского собора копируют знаменитые двери флорентийского Баптистерия — храма, прославленного Данте в "Божественной комедии". Над сооружением бронзовых дверей, еще более прославивших этот храм, флорентийский скульптор Лоренцо Гиберти работал с 1403 по 1424 год. Микеланджело Буонаротти назвал двери Баптистерия райскими дверями. На них размещены десять бронзовых горельефов на библейские сюжеты. Эти горельефы воспроизведены на дверях Казанского собора мастером Василием Екимовым, хотя и не совсем в той последовательности, в какой они размещены на дверях флорентийского Баптистерия. На горельефах изображены (слева направо и сверху вниз) следующие сюжеты:
1. Сотворение Адама и Евы, грехопадение и изгнание из Рая.
2. Жертвоприношение Авеля и убийство его Каином.
3. Убиение Моисеем египтянина и исход евреев из Египта.
4. Жертвоприношение Авраамом Богу сына своего Исаака.
5. Встреча царя Соломона с царицей Савской.
6. Евреи в пустыне и Моисей, принимающий Закон на Синайской горе.
7. Сыновья Иакова в Египте, покупающие хлеб у Иосифа, обретение чаши Иосифа в мешке Вениамина.
8. Благословение Иакова Исааком.
9. Обнессние ковчега вокруг Иерихона; разрушение Иерихона.
10. Поражение Никанора, грозившего разрушить Иерусалим.
Поскольку Казанский собор достраивался накануне войны с Наполеоном, он не был закончен. Главный вход в собор располагается в его западной части со стороны Большой Мещанской (ныне Казанской) улицы. С этой стороны особенно хорошо заметно, что собор не достроен, что колоннада, идущая со стороны Невского проспекта, должна была дополняться симметричной ей колоннадой с противоположной юго-западной стороны собора. Рядом с собором должна была быть возведена колокольня. Но на колоннаду и колокольню не хватило денег, главным образом потому, что умер главный меценат, жертвовавший на строительство собора огромные суммы, иногда перекрывавшие казенные поставки двора — Александр Сергеевич Строганов; а вскоре после него, в 1817 году, скончался и его единственный сын Павел Александрович Строганов, не оставивший прямых наследников по мужской линии. Доныне остаются пустыми и каменные постаменты, возведенные близ западного фасада собора для статуй Архангелов Михаила и Гавриила. Отлить в бронзе статуи, выполненные в гипсе скульпторами И. П. Мартосом и В. И. Демут-Малиновским, к моменту освящения собора не успели. Поэтому перед открытием собора 15 сентября 1811 года на постаменты были поставлены гипсовые фигуры архангелов, окрашенные под бронзу. Они простояли лишь 13 лет — до 1824 года, после чего полуразвалившиеся статуи пришлось убрать.
Со стороны Невского проспекта перед собором 25 декабря 1837 г., после торжественного молебна, под звуки орудийного салюта были открыты памятники героям Отечественной войны 1812 года — фельдмаршалам Михаилу Илларионовичу Кутузову и Михаилу Богдановичу Барклаю-де-Толли. Статуи были выполнены по моделям скульптора Б. И. Орловского, не дожившего до торжественного открытия созданных им памятников. М. И. Кутузов изображен в фельдмаршальском мундире, задрапированным в плащ. В правой руке - обнаженная шпага, в поднятой левой фельдмаршальский жезл, у ног — знамена французской армии. Грустно и задумчиво лицо М. Б. Барклая-де-Толли, главнокомандующего русской армией в первые месяцы войны 1812 года. При взгляде на него вспоминаются строки стихотворения А. Пушкина "Полководец", написанного в 1835 году, через 17 лет после смерти фельдмаршала:
"О вождь несчастливый! Суров был жребий твой:
Все в жертву ты принес земле, тебе чужой.
Непроницаемый для взгляда черни дикой,
В молчаньи шел один ты с мыслею великой,
И, в имени твоем звук чуждый невзлюбя,
Своими криками преследуя тебя,
Народ, таинственно спасаемый тобою,
Ругался над твоей священной сединою.
И тот, чей острый ум тебя и постигал,
В угоду им тебя лукаво порицал..."
Как справедливо считал Пушкин, стратегический гений Барклая-де-Толли сыграл огромную роль в развитии событий 1812 году и привел к победе над Hanoленом. Через полтораста лет после Пушкина поэт Владимир Британишский написал Стихотворение "Голос":
"Военачальник и стратег,
Барклай стоит перед Казанским.
Военный этот человек
Велик был мужеством гражданским.
В стране безгласной и немой,
Где собственных не терпят мнений,
Барклай возвысил голос свой,
Против военных поселений.
Нет, ничего он не достиг.
О нем, почти что неизвестном
Лишь пушкинский напомнит стих
И этот памятник на Невском.
Но голос был. Сто лет пройдет,
Сто пятьдесят пройдет... И ныне
Все слышен, слышен голос тот —
Глас вопиющего в пустыне."
Площадь перед западным фасадом Казанского собора ограждена решеткой, сооруженной в год открытия собора и установленной в 1812 году. Ограда состоит из 14 гранитных столбов, увенчанных шарами, между которыми размещены чугунные звенья решетки. Модель для отливки исполнил по рисунку А. Н. Воронихина резчик Василий Захаров. Ажурные звенья решетки были отлиты на заводе Берда в 1811 году.
Bнутренняя отделка Казанского собора.
Замечательна и внутренняя отделка Казанского собора. От пространства между подкупольными столбами в центре собора в четыре стороны расходятся гранитные колонны: четыре пары па восток, четырнадцать пар на запад и по пяти пар к югу и северу. Каждая из колонн имеет в высоту 5 саженей и 1/4 аршина и 1/5 сажени и 1 1/4 аршин в толщину. Пол собора мозаичный, из олонецкого и финляндского разноцветных мраморов. Ступени к алтарю сделаны из красного шокшинского песчаника.В Казанском соборе было три престола: главный был освящен в честь чудотворной Казанской иконы Божией Матери; южный — в память Рождества Пресвятой Богородицы, а северный — во имя святых Антония и Феодосия Печерских.
Чудотворный образ Казанской Божией Матери размещался в главном иконостасе собора.
Одежды главного престола собора были выкованы из серебра и украшены лазуритом и колоннами из сибирской яшмы, изготовленными по повелению императора Александра III, на Петергофской гранильной фабрике; весь покров весом более 11 пудов (свыше 180 кг) был создан по рисунку архитектора Набокова мастером О. Я. Соколовым на добровольные пожертвования прихожан в 1886 году. У главного алтаря располагались две серебряные хоругви с чеканными изображениями Воскресения Христова, Казанского образа Божией Матери, Крещения Иисуса и образа Знамения Божией Матери. Близ главного престола на жертвеннике размещалось в чеканном бронзовом футляре огромное Елизаветинское Евангелие с позолоченным серебряным окладом, яхонтовым крестом и бриллиантовой с изумрудами короной с 4 алмазными звездами. При богослужении это Евангелие не употреблялось вследствие его тяжести: со всеми драгоценными украшениями оно весило более двух пудов. В своде алтаря размещалась икона "Тайная вечеря" кисти академика живописи С. А. Безсонова. Три запрестольных образа: Успение Пресвятой Богородицы, Введение во Храм и Покров Пресвятой Богородицы,— были написаны художником А. Сидоровым в 1892 году.
В алтаре южного придела находился чудотворный образ Богородицы Нерушимая Стена.
Северный придел собора был посвящен преподобным Антонию и Феодосию, Печерским Чудотворцам. На старинном дубовом престоле стояла серебряная дарохранительница, изображавшая Голгофу. За престолом, на горнем месте, располагался образ святого Иоанна Богослова. Над жертвенником находился образ Тихвинской Божией Матери в серебряной ризе.
Главный иконостас Казанского собора был целиком выполнен из отвоеванного у французов во время Отечественной войны 1812 года серебра общим весом около 1120 кг. На Царских вратах главного алтаря располагался великолепный образ кисти В.Л.Боровиковского "Благовещение"; им же были написаны образа, изображающие преподобных Антония и Феодосия Печерских и равноапостольных Константина и Елену. В. К. Шебуев создал образа Святого Василия Великого (на правой стороне за правым клиросом) и святого Григория Богослова (па левой стороне за левым клиросом), а также — Святого Иоанна Златоуста; К. П. Брюллов - образ "Вознесение Богоматери", Ф. А. Бруни — образ "Покров Пресвятой Богородицы".
В Казанском соборе хранились трофеи русских войск войны 1812 года и последующих военных кампаний 1813—1814 гг., в том числе 114 французских знамен, отбитых у неприятеля, ключи от 28 покоренных городов, маршальский жезл Даву, захваченный в сражении 5 ноября 1812 года.
13 июня 1813 года в Казанском соборе был похоронен светлейший князь Михаил Илларионович Голенищев-Кутузов Смоленский, скончавшийся после тяжелой болезни 16 апреля 1813 года в немецком городе Бунцлау. Гроб захоронен в склепе, устроенном под полом в северном приделе собора, под гранитной плитой, обнесенной бронзовой оградой, выполненной в 1814 году по проекту А. Н. Воронихина.
Как выглядела в прошлом могила М. И. Кутузова и каков был внутренний облик этой части собора, можно представить себе, читая строки, написанные А. С. Пушкиным в 1831 году во время польского восстания (вскоре после смерти главнокомандующего русской армией И. И. Дибича):
"Все спит кругом; одни лампады
Во мраке храма золотят
Столпов гранитные громады
И их знамен нависший ряд.
Под ними спит сей властелин,
Сей идол северных дружин,
Маститый страж страны державной,
Смиритель всех ея врагов,
Сей остальной из стаи славной
Екатерининских орлов.
В твоем гробу восторг живет!
Он русский глас нам издает;
Он нам твердит о той године,
Когда народной веры глас
Воззвал к святой твоей седине;
"Иди, спасай!" Ты встал — и спас..."
Великолепными по своему звучанию были большие колокола Казанского собора: первый, называемый праздничным, с Казанским образом Божией Матери, весом в 264 пуда ; второй, называемый полиелейным, с изображениями Святой Троицы и Рождества Богородицы, весом 129 пудов ; третий, называемый повседневным, подаренный церкви Рождества Богородицы императором Петром III 9 февраля 1762 года, весом 61 пуд (в конце XIX века он был разбит и после этого не употреблялся); и четвертый, старейший, отлитый для церкви Рождества Пресвятой Богородицы по распоряжению императрицы Анны Иоанновны в 1734 году.
После того, как в 1932 году Казанский собор стал Музеем истории религии и атеизма, Икону Казанской Божией Матери перенесли в петербургский Князь Владимирский собор.
12 февраля 1991 года президиум Ленсовета принял решение о передаче храма церкви. В конце двадцатого столетия в соборе вновь появились прихожане и верующие. Ныне знаменитый столичный собор — кафедральный храм Петербурга, и ему возвращена чудотворная святыня — покровительница воинов России.