В первую очередь была возведена многоярусная колокольня, увенчанная шпилем, обитым медными вызолоченными листами. Шпиль завершался флюгером в виде фигуры летящего ангела и крестом.

Постройка и отделка собора затянулись и были закончены уже после смерти Петра I, в 1732 году. Собор был освящен и открыт 29 июня 1733 года.

Композиция плана собора имеет мало общего с традиционными плановыми решениями русского культового зодчества: оно прямоугольное в плане сооружение «зального» типа. Внутреннее пространство собора разделено на три нефа мощными пилонами, обработанными пилястрами коринфского ордера. Крестовые своды, перекрывающие помещение, декорированы филенками и орнаментальной росписью.

Иконостас выполнен группой московских резчиков в 1722–1726 годах по проекту и под руководством выдающегося зодчего и скульптора И.П. Зарудного. В 1727 году иконостас доставили в Петербург. Сборкой и установкой его в соборе руководил московский столяр Трифон Иванов. Образа для иконостаса писали московский иконописец Л.М. Поспелов и его помощники. Настенные живописные панно на библейские сюжеты исполнили Андрей Матвеев, Александр Захаров, живописец Партикулярной верфи И.М. Никитин, В.А. Ерошевский и др.

Величественный и пышный иконостас решён с большой смелостью и размахом и близок по замыслу и формам к триумфальным сооружениям. Такие триумфальные сооружения возводились в петровское время в дни торжеств в честь побед русского оружия. Иконостас стал одним из непревзойденных образцов русской резьбы, в котором продолжены традиции московской школы резчиков XVII века.

В 1725 году внутри собора, возведённого вчерне, была сооружена деревянная церковь, впоследствии разобранная. В ней отпевали скончавшегося Петра I. В дальнейшем собор стал усыпальницей русских царей и членов царской фамилии.

В ночь с 29 на 30 апреля 1756 года соборная колокольня была повреждена ударом молнии. Загоревшийся шпиль рухнул. Пожар охватил чердаки и деревянный купол. Иконостас был поспешно разобран и вынесен. Кладка стен колокольни дала многочисленные трещины. В 1760 году колокольню разобрали до окон первого яруса. В 1761 году началась подготовка к её восстановлению под руководством архитектора Семёна Волкова.

Тогда же был разработан ряд проектов перестройки собора и восстановления колокольни. Ни один из проектов колокольни не мог получить одобрения. В 1766 году приняли решение «делать оную точно так, какова прежняя была, понеже все прочие планы не столь красивы». В связи с восстановительными работами М.В. Ломоносов выдвинул проект украшения собора монументальными мозаичными панно.

В 1830 году сильная буря повредила фигуру ангела на шпиле собора. Кровельщик Пётр Телушкин поднялся на шпиль без лесов и отремонтировал флюгер.

В 1857–1858 годах деревянные конструкции шпиля заменены металлическими, изготовленными на Боткинском заводе по проекту выдающегося инженера Д.И. Журавского. Высота шпиля при этом несколько увеличилась (общая высота колокольни от земли до конца креста 122,5 м). Сооружение этого уникального шпиля явилось замечательным достижением русской строительной техники.

В 1864–1866 годах деревянные резные царские врата иконостаса заменили литыми из меди на железном каркасе.

В 1875–1876 годах были возобновлены лепные украшения сводов и верхней части стен собора. В 1891–1893 годах деревянные полы заменены несгораемыми. Большие работы по реставрации интерьеров собора велись в 1908 году.

Рядом с собором в 1897 году началось возведение великокняжеской усыпальницы. Проект был составлен Давидом Ивановичем Гриммом.

Реализовывали проект в с 1897 по 1908 год архитекторы Антоний Осипович Томишко и Леонтий Николаевич Бенуа. Во внутренней отделке усыпальницы широко применены мраморная облицовка и золочёная бронза. Благодаря умело найденным пропорциям здание усыпальницы, завершённое куполом и луковичной главкой, и собор воспринимаются как единое целое.

С 1908 по 1916 год в ней были погребены тринадцать членов императорской фамилии (восемь захоронений перенесены из Петропавловского собора). Внутреннее убранство великокняжеской усыпальницы было утрачено в годы советской власти, иконостас не сохранился. Восстановительные работы начались в конце ХХ века.

В годы Великой Отечественной войны шпиль колокольни был замаскирован. В 1952 году закончен ремонт фасадов, а затем осуществлены работы по реставрации интерьеров собора и золочению шпиля. В 1962 году воссоздана существовавшая ранее роспись пилонов под мрамор.

Ценность здания собора чрезвычайно велика, в том числе и художественная. Шпиль многоярусной колокольни с ангелом-хранителем играет важнейшую роль в городском пейзаже и является одним из ведущих сооружений в панораме берегов Невы в центре города.

Золотой купол Исаакия сверкает над городом, как шлем могучего витязя. Да и сам собор-исполин с его нерушимой гранитной мощью ассоциируется с образами русских чудо-богатырей из былинного эпоса.