Свод большого купола закончен в 1849 году; в 1860 году были разобраны наружные леса. Храм царил над постройками, над деревьями Александровского сада. При подъезде к Москве с юга и юга-запада он был виден более чем за десяток верст. Его огромные размеры – сознательный прием. Они подчеркивали значительность выражаемого ими содержания, свидетельствовали также, что храм этот не чета обычным церквям.
Скульптура на фасадах и живопись в интерьерах вошли в архитектуру на основе зодчества классицизма, где скульптурный декор широко применялся в гражданском и культовом строительстве. Работа над горельефами началась ещё до окончания строительство храма и снятие лесов в 1846 году и продолжалась 20 лет.
Главным фасадом храма всегда считался западный. Скульптуры наверху в медальонах изображали в центре Христа Спасителя, благословляющего входящих в храм. По сторонам его в боковых медальонах располагались святые покровители императоров – святой Александр Невский, святитель Николай, святой блаженный Николай. Скульптура над входными арками западного фасада символически изображала находящиеся под покровительством небесных сил русские войска.
На южной стороне храма, в направление, где проходили решающие битвы за Москву и стороне, откуда совершались на неё набеги, были изображены святые и композиции, имевшие прямое отношение к событиям Отечественной войны 1812 года. Наверху в медальонах Смоленская Богоматерь – в память о том что этот чудотворный образ более трёх месяцев находился в войсках.
Восточный фасад храма с алтарем был обращён к Кремлю. Здесь были представлены русские национальные святые – заступники и молитвенники за родную землю, избавители России от внешних врагов, особо чтимые иконы явлений Богоматери и священные картины двух важнейших событий из жизни Иисуса Христа: Рождество Христово и Воскресение. В центре восточного фасада наверху в медальоне помещался образ Владимирской Божьей Матери как память о бородинской битве. В остальных медальонах были изображены святые: царица Александра, Мария Магдалина, Анна Пророчица и святая великомученица Екатерина.
На северном фасаде, обращенном на Волхонку, находились рельефы с изображениями национальных святых – распространителей христианства на Руси, хранителей её от врагов и помощников в битвах. В верхнем ряду в центре находился рельеф с изображением иконы Иверской Богоматери. По сторонам святой мученик Лавр, святой мученик Сергий, святой Григорий Двоеслов, святой мученик Хрисанф. Всё это в память о сражениях в войне.
Скульптуры по сторонам арок боковых ворот портала на северном фасаде напоминали об истории христианства на Руси.
Скульптурой и богатым орнаментальным декором были покрыты также входные двери храма Христа Спасителя.
Интерьер его поражал торжественностью и великолепием. В восточной ветви креста находился уникальный по композиции иконостас в виде беломраморной восьмигранной часовни, увенчанной позолоченным бронзовым шатром. Высота иконостаса храма Христа Спасителя вместе с шатром 26,6 м. Росписи главного алтаря изображали священные картины, повествовавшие о рождении Спасителя и событиях последних дней его жизни на земле.
В своде главного купола находилось изображение Господа Саваофа, благословляющего обеими руками, имевшего в лоне Сына Божия, а на груди Духа Святого в виде голубя, то есть изображение триединого бога.
Вся система росписей подкупольной части храма Христа пронизана чувством радостного торжества, ставшего возможным благодаря победе принесенных в мир Христом идей.
20 лет продолжались работы по внутреннему убранству. Стены и своды хор храма Христа Спасителя, как в древнерусских храмах, были сверху донизу покрыты росписями.
На четырех колокольнях было повешено 14 колоколов, выполненных на московском колокольном заводе Н.Д. Финляндского. Все колокола представляли собой не только уникальные музыкальные инструменты, но и столь же уникальные произведения изобразительного искусства. Колокола были украшены рельефами, орнаментами, надписями. Предметом особой гордости храма Христа был торжественный большой колокол весом 1654 пуда (это более 26 тонн – 26464 кг). Следующий по величине праздничный воскресный колокол, весивший 970 пудов (15,5 тонны – 15520 кг), был украшен изображениями святителей московских – митрополитов Петра, Алексия, Ионы, Филиппа. Третий по величине полиелейный колокол весом в 635 пудов (около 10 тонн – 10160 кг) украшали рельефы с изображениями Николая Чудотворца, Александра Невского и Зосимы Соловецкого. За ним в убывающим по весу порядке следование будничные колокола.
В 1880 году было утверждено официальное наименование нового Храма – Кафедральный во имя Христа Спасителя собор, составлен штат духовенства и причта, утверждена смета на содержание собора в сумме 66850 рублей в год. К 1881 году были окончены работы по устройству набережной, площади вокруг Храма и установлены наружные фонари.