По мнению Ильи Евгеньевича Путятина, купол собора символизирует то, что церковь находится под покровительством государства, архитектурно связан с куполом ротонды Гроба Господня в Иерусалиме, а формы барабана – с «эллинизирующими идеями классики». Грандиозная колоннада северного фасада, напоминающая колоннаду собора св. Петра в Риме, охватывает полукруглую парадную площадь, выходящую на Невский проспект (84 колонны коринфского ордера высотой около 13 м, на южном и северном портиках по 20, на западном – 12 колонн, всего 136). Средняя часть колоннады подчёркнута выступающим портиком, над которым возвышается мощный аттик с треугольным фронтоном. Со стороны Невского проспекта портик воспринимается как пьедестал купола и «венчает» центр колоннады, таким образом зрительно неотделимой от здания собора. При этом она в отличие от прототипа, колоннады собора св. Петра Джованни Лоренцо Бернини (1598–1680 гг.), широко раскрыта, совпадает по высоте с основным объёмом храма и имеет с ним единый широкий пояс антаблемента. Она связывает собор с городской средой и содействует его включению в ансамбль главной магистрали. Градостроительное решение собора как архитектурного ансамбля предвосхитило работы Карло ди Джованни (Карла Ивановича) Росси, «раскрывшего площадями» Невский проспект. «Плотная» колоннада и мощные перекрытия галерей создают переходную зону из «мирского» в сакральное пространство. Необычны крытые проезды, завершающие крылья полукруглой колоннады. Будучи прямоугольными в плане, они придают колоннаде зрительную законченность и устойчивость. Они перекрыты горизонтальными перемычками с особенно широким пролётом, как бы обрамляя въезды на Казанскую улицу и набережную канала Грибоедова. Эти триумфальные сооружения имеют прототипами арку Аргентариев, или Менял, в Риме и архитектуру Лувра. Их рельефы напоминали о прообразовательном значении чудес пророка Моисея и сооружении Иерусалимского храма. Фасады собора прорезаны огромными окнами в два яруса, простенки декорированы пилястрами. Внутреннее пространство Казанского собора разделено могучими гранитными колоннами на три нефа с более широким центральным. Колоннады коринфского ордера из двух рядов колонн поддерживают цилиндрические своды. В восточной части четыре мощных пилона служат опорой подпружных арок и парусов, на которых покоятся высокий барабан, возведённый над средокрестием, и купол. Внутренняя оболочка купола имеет диаметр 6,7 м, вторая оболочка прорезана окнами-люкарнами. Подкупольные столбы А.Н. Воронихина имеют относительно небольшое сечение. Иконостас, исполненный также по проекту А.Н. Воронихина, располагался между колоннами и был обрамлён пилястрами, антаблементом и аттиком. Казанский собор представляет собой пример синтеза архитектуры и монументальной скульптуры. Разработанная А.Н. Воронихиным программа скульптурного украшения собора в процессе работы менялась и дополнялась и осталась незавершённой. В окончательном варианте четыре бронзовые статуи были установлены только в северном портике: св. Иоанн Предтеча (скульптор Иван Петрович Мартос), апостол Андрей Первозванный (скульптор Василий Иванович Демут-Малиновский), равноапостольный князь Владимир и св. князь Александр Невский (обе – скульптор Степан Степанович Пименов).