大教堂造型雄偉壯觀，建筑地基深達10米，外部共有112根整塊的深玫瑰色和斑環花崗巖圓柱，其中四面48根廊柱每個高17米，直徑2米，重達114噸，作為教堂的廊柱是全世界最大的。建筑四角豎有鐘樓，各帶一個相對較小的圓頂，它們與中央圓頂共同組成東正教教堂傳統的五圓頂。教堂四周各豎有16根粗大的花崗巖石柱，成雙排托起雕花山墻。整座建筑材料重達30萬噸，被視為俄羅斯晚期古典主義建筑的精華。
教堂在總體結構和裝飾細節上反映了19世紀俄國建筑晚期古典主義的特征，同時兼具文藝復興和巴羅克藝術的印記，這一點特別表現在建筑外部采用了大量雕塑裝飾。東西南北四個門廊上方的三角楣飾、建筑頂端的圣徒和天使雕像，以及巨大門扇上的浮雕，表現的是福音全書故事情節。整個教堂共飾有350個雕像和浮雕，均為雕塑家維塔利等人的作品，它們和諧地融入整體建筑結構之中。用橡木制成的3 扇巨門，每扇門的面積為42 平方米，重達20 噸。大教堂的內外部裝修更為考究，光黃金就用去400 公斤，教堂內有許多鍍金的、青銅的和
大理石雕塑，有多幅色彩斑斕的鑲嵌畫和宗教畫，還有用烏拉爾寶石和名貴孔雀石、天青石制作的藝術品作為裝飾。教堂內有鐵梯可以直達頂部大平臺。
教堂的穹頂，圓頂外直徑25.8米，內直徑21.8米；穹形外部的圓頂鎦金就用掉了100公斤的黃金，教堂自落成以來沒有重新鍍金，巨大的圓頂歷經一個半世紀從未整修依然金光燦燦。
大教堂內部，因采用大量珍稀彩色石料而顯得既莊重又華麗。主祭壇圣像壁65幅圣像以白色
意大利大理石作框飾，用烏拉爾孔雀石壁柱分割。地面為棋盤狀深、淺灰色大理石方磚，中央是巨大的玫瑰花環，由玫瑰紅和櫻桃紅大理石拼成。墻體上下分別為白色大理石和黑色板巖，以淺紅色和櫻桃紅色大理石作裝飾裙線。而150幅壁畫和
馬賽克鑲嵌畫更從色彩上突出了整個空間的富麗堂皇。其中圓頂壁畫《圣母在圣徒的陪伴下》面積達800平方米，由著名畫家布留洛夫等人創作。
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