30 мая 1908 г. торжественно было отмечено 50-летие собора. 1 октября 1909 г. в Исаакиевском соборе впервые в городе состоялась литургия со всенародным пением. В годы Первой мировой войны в соборе многократно служили молебны о даровании победы русскому воинству, особенно многолюдный молебен был перед собором в 1915 г. 30 мая 1918 г. праздничную литургию в соборе возглавлял Патриарх Московский и всея России Тихон (Белавин). 5 марта 1922 г. по инициативе Петроградского митрополита Вениамина (Казинского) в соборе состоялось закрытое совещание епархиального духовенства по вопросу изъятия церковных ценностей. В 1922 г., во время троекратной конфискации церковных ценностей, из храма изъяли 48 кг золота и 2200 кг серебра; изъятия происходили также в 1926 и 1928 гг., всё имущество собора из золота и серебра утрачено. С июля 1922 г. по 14 марта 1923 г. собор принадлежал Петроградской автокефалии, затем до закрытия стал обновленческой кафедрой. Первый раз собор закрывали весной 1927 г., окончательно – 14 июля 1928 г. на основании постановления президиума Ленсовета о его передаче Главнауке под музей; имущество было реализовано через Госфонд, сняты и переплавлены все колокола. С 1930 г. в Исаакиевском соборе располагался Государственный антирелигиозный музей (с 1937 г. с функциями историко-художественного характера). С 1930 по 1986 гг. здесь находился маятник Фуко (длина 98 м). С сентября 1941 г. в соборе располагалось межмузейное хранилище, в частности, экспонаты музеев из пригородов. Купола покрыли защитной краской; здание, особенно интерьеры, пострадало от бомбёжек, артобстрелов, сырости и холода. Так, была смыта работа Фёдор Антонович Бруни «Адам и Ева в раю» над западными дверями (воссоздана реставраторами). После разрушений военного времени реставрационные работы с 1945 г. возглавлял архитектор Александр Лукич Ротач. С 1947 по 1950 гг. в соборе проходила консервация настенной живописи, в 1954–1958 гг. под руководством Якова Александровича Казакова – реставрация живописи в центральном нефе, в 1959–1963 гг. восстанавливали живопись западной части собора и центрального купола. В те же годы под руководством Е.В. Поповой осуществлена реставрация витража. С 1956 по 1963 гг. восстанавливали внутреннюю мраморную облицовку стен, с 1967 г. – наружную облицовку. 23 июня 1957 г. музей был вновь открыт для посетителей, в 1963 г. он получил статус Государственного музея-памятника. 17 июня 1990 г., в Неделю всех святых, в земле Российской просиявших, первую после 1928 г. Божественную литургию в соборе совершил Патриарх Московский и всея Руси Алексий II. 6 ноября 1990 г. патриарх Алексий II служил в Исаакиевском соборе великую вечерню и благодарственный молебен в связи с возвращением городу его исторического названия. В 1998 г. реставрирован алтарный витраж. 4 января 2000 г. в соборе был установлен и освящён митрополитом Санкт-Петербургским и Ладожским Владимиром воссозданный престол главного алтаря из итальянского мрамора. С 12 сентября 2002 г. в соборе, сохраняющем музейный статус в составе «Музея четырёх соборов», регулярно совершаются службы в Александро-Невском приделе. В 2011 г. пасхальное богослужение в Исаакиевском соборе возглавил митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Владимир (Котляров).