Над большими входными дверями и по их сторонам в полуциркульных нишах расположены сюжеты: «Ангелы возвещают пастырям о Рождестве Христовом» и «Избиение младенцев» (1844–1845 гг., западная и восточная ниши южного портика, скульптор А.В. Логановский); «Бегство в Египет» (южные двери, скульптор И.П. Витали); «Несение креста» и «Положение во гроб» (1844–1847 гг., восточная и западная ниши северного портика, скульптор П.К. Клодт). Художественное оформление фронтонов довершают скульптуры 12 апостолов. Их исполнение предполагалось заказать Николаю Степановичу Пименову и А.В. Логановскому, но эскизы О. Монферран не одобрил, и по решению комиссии 11 апреля 1843 г. контракт заключили с И.П. Витали. К 11 февраля 1844 г. он изготовил модели, к концу 1847 г. было отлито девять фигур высотой 4,6 м и весом 11,2 т каждая; три фигуры для северного портика – гальванопластическим способом на заводе герцога Лейхтенбергского. Четыре апостола (евангелиста) изображены сидящими, их фигуры венчают фронтоны: западный – апостола Марка, южный – апостола Матфея, восточный – апостола Луки, северный – апостола Иоанна; рядом с каждым соответствующий символ – лев, ангел, телец и орёл; в раскрытых книгах – начальные слова каждого из Евангелий. Восемь апостолов изображены стоящими по углам фронтонов с атрибутами, мало распространёнными в православном искусстве: апостол Пётр – с двумя ключами; апостол Павел – с орудием казни – мечом (скульптура исполнена при участии ученика Витали Бульи); апостол Андрей – с Х-образным крестом; апостол Фома – с угольником архитектора; апостол Иаков, брат Господень, – с омофором и Евангелием; апостол Симон Зилот – с пилой, орудием мученичества; апостол Филипп – с высоким крестом; апостол Варфоломей – в шапке, со скребком и с крестом (по преданию, после распятия на кресте с него была содрана кожа). На фризе фронтонов укреплены надписи: на северном – «Господи, силою Твоею возвеселится царь»; на южном – «Храм Мой храм молитвы наречется»; на восточном – «На Тя Господи уповахом да не постыдимся во веки»; на западном – «Царю царствующих». На балюстраду купола помещены 24 статуи ангелов (1839–1840 гг., скульптор Иосиф Герман; по первоначальному проекту О. Монферрана предполагалось разместить 24 статуи святых). По замыслу членов Синода, архангелы и ангелы изображены с различными символами и атрибутами: шесть ангелов – с атрибутами Страстей Христовых (терновым венцом, губкой, гвоздями, копьём, крестом, Нерукотворным образом); три ангела и архангел – с сосудами, символами омовения и очищения от грехов; два – со свитками, символизирующими данные Богом законы; архангел Иегудиил – с венцом и мечом; архангел Гавриил – с лилией; архангел Михаил – с огненным мечом; ангел с весами символизирует правосудие Спасителя; ангел с лестницей – нравственное восхождение; ангел с розами – милосердие; архангел с хоругвью и драконом – победу над силами зла. Четыре ангела и четыре архангела крестообразно препоясаны орарем. За образцы скульптур были взяты отливки с античных статуй, хранившихся в Академии Художеств. Важную роль во внешнем виде постройки играют четыре группы ангелов со светильниками (скульптор И.П. Витали) по углам собора. Они были исполнены по проекту О. Монферрана (1850 г.) и эскизам Константина Антоновича Молдавского; установлены в 1855 г. К светильникам был подведён газ, на великие христианские праздники зажигались факелы.