Сооружение портиков завершилось к осени 1830 года. Затем началась постройка опорных пилонов и стен собора. Тут применялась кладка из кирпичей, скреплённых известковым раствором. Толщина стен составляла от 2,5 до 5 м. Толщина наружной мраморной облицовки составляла 50 – 60 см, внутренней – 15 – 20 см. В 1836 году возведение стен и пилонов было завершено.

В 1837 году, когда было завершено основание купола, была начата установка 24 верхних колонн. Колонны подымались наверх по наклонному настилу на специальных тележках при помощи оригинальных механизмов.

Следующим этапом строительства собора было сооружение купола. Монферран стремился сделать его максимально лёгким без потери прочности. Для этого он предложил сделать его не кирпичным, а полностью металлическим. При отливке было использовано 490 тонн железа, 990 тонн чугуна, 49 тонн меди и 30 тонн бронзы. Купол Исаакиевского собора стал третьим куполом в мире, выполненным с применением металлических конструкций и оболочек (после башни Невьянского завода на Урале, построенной в 1725 году, и купола Майнцского собора – в 1828 году).

Золочение куполов собора в 1838 – 1841 годах проводилось методом огневого золочения, парами ртути отравились и умерли 60 мастеров.

Всего в строительстве собора приняло участие 400 000 рабочих – государственных и крепостных крестьян. Судя по документам того времени, около четверти из них умерло от болезней или погибло в результате несчастных случаев.

Торжественное освящение собора состоялось в 1858 году, 30 мая, в день памяти преподобного Исаакия Далматского, в присутствии императора Александра II и иных членов императорской семьи.

Монферран прожил чуть меньше месяца после освящения собора. Он завещал похоронить себя в одном из подземных сводов собора, но император Александр II не позволил этому сбыться: Монферран был католиком. В результате похоронная церемония состоялась в католической церкви святой Екатерины на Невском проспекте, затем траурный кортеж трижды объехал вокруг Исаакиевского собора, а потом останки были доставлены во Францию.

В соборе три алтаря, главный посвящён Исаакию Далматскому, левый – Великомученице Екатерине, правый – благоверному Александру Невскому. Интерьеры отделаны мрамором, малахитом, лазуритом, золочёной бронзой и мозаикой.

В Исаакиевском соборе представлено уникальное собрание монументальной живописи первой половины XIX века – 150 панно и картин. Для работ над росписями были привлечены художники-академисты Брюллов, Басин, Бруни, Шебуев, Марков, Алексеев, Шамшин, Завьялов и другие. Работы проводились под контролем императора и Синода.

В соборе из-за перепада температур, высокой влажности и отсутствия вентиляции сложились неблагоприятные условия для сохранения росписей. При декорировании внутренних помещений с 1851 года было решено для оформления интерьера использовать мозаику. Создание мозаичных панно продолжалось до начала Первой мировой войны.

После революции храм был разорён, из него было изъято 45 кг золотых изделий, более 2 тонн серебряных украшений. Во время Великой Отечественной войны собор сильно пострадал от бомбёжек и артобстрела, на стенах и колоннах местами сохранены следы от снарядов. В соборе во время блокады хранились экспонаты музеев из пригородов Ленинграда, а также Музея истории города и Летнего дворца Петра I.

С 1948 года функционирует как музей «Исаакиевский собор». В 1950 – 1960-е года проведены реставрационные работы. На куполе устроена смотровая площадка.

Существует мнение ученых, что в 2000-х годах «с механической точки зрения состояние собора аварийное».

Храм был воздвигнут в память о наполеоновском нашествии. Строительство продолжалось почти 44 года: закладка произошла 23 сентября 1839 года, освящение – 26 мая 1883 года. Храм Христа Спасителя создавался как благодарственный храм – памятник Христу Спасителю России, призванный увековечить в памяти грядущих поколений муки, жертвы и великий подвиг народа. Идея построения храмов-памятников восходит к древнерусской традиции обетных храмов, возводившихся в знак благодарения за победу и в вечное поминовение о погибших.

В 1831 году Николай I лично определил архитектором Константина Тона, «русско-византийский» стиль которого был близок вкусам нового императора. Место на Чертолье (улица Волхонка) было также избрано самим Николаем I; бывшие там постройки были куплены и снесены. Был снесён и располагавшийся там Алексеевский женский монастырь, памятник XVII века (переведён в Красное село). Московская молва сохранила предание, что игуменья Алексеевской обители, недовольная таким поворотом, прокляла место и предрекла, что ничто не устоит на нём долго. Храм строился практически полностью за казённый счёт. Общая стоимость храма доходила до 15 миллионов рублей.