Первыми помощниками О. Монферрана были архитекторы В.А. Алексеев и С.И. Косолапов, каменных дел мастера Э. Руска, А. и И. Бернардацци. Сооружение собора длилось сорок лет, оно стало важным этапом в развитии русской строительной практики как по грандиозности постройки, так и по сложности инженерных задач. После того как разобрали бо́льшую часть старой церкви (кирпич пошёл в 1823 г. на постройки О. Монферрана в Екатерингофе), началось возведение монолитного фундамента (1818–1827 гг.), который должен был ослабить деформацию несущих конструкций при неравномерной осадке. Фундамент собора установлен на 24 тыс. просмоленных сосновых свай, под всей площадью здания между рядами камня проходит кладка высотой более 7 м с гранитными блоками (из окрестностей города Фридрихсгама, ныне Хамина, Финляндия). Несмотря на критику технической стороны проекта Комитета по делам строений (Антона Антоновича Модюи и Филиппа Филипповича Вигеля), Александр I подтвердил своё решение сохранить алтарную часть старого собора. В 1821–1825 гг. проект был доработан. Новый вариант предусматривал при сохранении квадратного в плане подкупольного компартимента удлинение продольной оси за счёт симметричного воспроизведения композиции старого алтаря с запада. Уменьшенные в масштабе колокольни подчеркнули пирамидальный характер композиции, ставшей к тому же более компактной. Для единообразия восточный и западный фасады получили восьмиколонные портики в дополнение к 16-колонным с юга и севера. Наземные строительные работы начались с установки 48 гранитных колонн четырёх портиков (вес каждого монолита достигал 114 т, высота – 17 м). Идея об установке колонн до возведения стен и разработка подъёмного механизма (с изготовлением модели) принадлежали О. Монферрану. В марте-июле 1828 г. были установлены колонны северного портика, южного и западного – в мае-сентябре 1829 г., восточного – к августу 1830 г. На церемониях установки первой и последней колонн присутствовали члены императорской семьи; первую колонну установили за 45 мин. 478 рабочих. Бронзовые капители были отлиты на заводе шотландского уроженца Карла (Чарльза) Николаевича Берда по алебастровым моделям Е. Балина (1821–1832 гг.), к 1834 г. была завершена полировка колонн, к сентябрю 1836 г. – монтировка капителей. В 1830–1836 гг. осуществлялось возведение стен и подкупольных пилонов. Кирпичная кладка на известковом растворе перемежалась для прочности каменными прослойками, к ней металлическими скобами крепилась мраморная облицовка. По проекту О. Монферрана К.Н. Берд создал оригинальную конструкцию перекрытий портиков: кирпичные своды он заменил полносборными чугунными фермами, связав их лёгкими металлическими стержнями со стропилами, с кладкой и облицовкой. В 1835 г. в проект были внесены дальнейшие изменения. Круглые в плане боковые башни сменились квадратными в плане колокольнями с двухколонными портиками по сторонам. Были восстановлены полуциркульные ниши в южном и северном портиках, однако О. Монферран отказался от декора фриза и антаблемента. В 1836 г. приступили к сооружению внутренних перекрытий. Полуциркульные своды трёх нефов выкладывались из кирпича, стропильные конструкции выполнялись из металла.