Утвердив проект Тона, царь поручил ему возглавить строительство Храма и, учитывая печальный опыт Витберга, назначил умелых и исполнительных помощников. Место для строительства Храма выбрал сам царь Николай I неподалеку от Кремля, на левом берегу Москвы-реки с тем, чтобы включить новое сооружение в историческую ткань города вблизи Кремля, тем более что прототипом Храма Христа Спасителя послужили Успенский и Архангельский соборы в Кремле, хотя Храм и не стал их копией.
На месте, где предполагалось строить Храм, в бывшем Чертольском урочище, почти три столетия располагался древний Алексеевский женский монастырь*. По приказу царя в 1837 году монахинь монастыря перевели в Красное село, близ Сокольнической рощи, затем снесли монастырь, а заодно и стоявшую рядом с ним Всехсвятскую церковь. Царь распорядился выделить из казны необходимые суммы, и начались земляные работы.
На месте монастыря во время земляных работ были найдены два кладбища, одно над другим. Первое - на глубине двух метров, второе - четырех. В верхнем кладбище находились ветхие гробы с истлевшими костями; было также много останков без гробов - захоронения последствий чумы 1771 года в Москве. В нижнем кладбище были найдены только гробы, в которых костей не оказалось, - это захоронения XVI века, времен, когда здесь размещалось подворье Малюты Скуратова, что подтверждается надгробным камнем, установленным над его склепом…
10 сентября (ст. стиля) 1839 года, когда работы по устройству фундамента были закончены, в присутствии царствующего императора Николая I и будущего - Александра II была произведена вторая торжественная закладка нового Храма…
Для огромного здания, уступающего по величине самому большому в мире кафедральному собору в Севилье, был необходим и надлежащий фундамент. Для того чтобы подготовить котлован, пришлось углубиться на 10,5-13,5 метра и вынуть более 106 тысяч кубических метров грунта. Бутовый камень доставлялся из села Григорьево в окрестностях Москвы, где был обнаружен надежный материал, который и послужил прочным основанием для заложения фундамента под Храмом, и укладывался слоями вперемежку со щебнем и битым кирпичом, причем каждый пласт заливался известково-песчаным раствором. Это была не каменная кладка по контуру, а сплошной монолит на всю глубину котлована, который нигде не имел пустот, был прочным и непроницаемым для грунтовых вод.
Для наружных стен Храма толщиной в 302 сантиметра и внутренних в 142 сантиметра потребовалось 40 миллионов кирпичей. Более 27 тысяч квадратных метров поверхности стен было облицовано светлым камнем из села Протопопово Коломенского уезда. Этот подмосковный мрамор отличался однородностью, плотностью, твердостью и ровным изломом. Цокольную часть здания строители облицевали мелкозернистым финским гранитом темно-красного цвета. Из такого же гранита были сделаны крылечки с четырех сторон Храма.
Устройство главного купола диаметром 29,9 метра закончилось в 1849 году.
Первоначальным вариантом проекта предусматривалось на позолоченной гладкой поверхности большого купола сделать звезды, а на малых куполах - ребра. Впоследствии по предложению архитектора Тона было принято решение на большом куполе Храма вместо звезд также сделать ребра, как и на малых куполах, тогда одинаковые устройства всех пяти глав Храма при высоте большого купола будут гораздо более гармонировать с общей массой и стилем сооружения Храма.
Утверждая новый вариант купола с золотым покрытием, Александр II будто бы изрек:
- Возвышаясь над городом, главный золоченый купол Храма будет сверкать в небе вторым солнцем!
Высота барабана с крестом* составила более 38 метров. Главный шлемовидный купол, как и другие главы Храма, был покрыт листовой красной медью и позолочен посредством гальванопластики трехмиллиметровым слоем, на что ушло более 422 килограммов драгоценного металла. Отражая лучи солнца, огромный купол Храма в ясную погоду был виден во всех концах города. На четырех колокольнях Храма было 14 колоколов общим весом 65,7 тонны. Торжественный главный большой колокол диаметром более 3,5 метра весил свыше 27 тонн.**
По периметру фасадов Храма на уровне порталов был устроен мраморный горельефный пояс с изображением сцен из священной и русской истории - всего 48 наружных горельефов - известных скульпторов Клодта, Логановского, Ромазанова, Толстого… Кроме того, в дверных арках помещено 34 и на самих дверях - 17 горельефов.***
Храм на уровне колоколен по всему периметру был опоясан балконами с бронзовой решеткой, откуда можно было любоваться круговой панорамой Москвы.
В течение двадцати с лишним лет строились стены, пилоны, своды, выполнялась наружная облицовка стен, монтировались металлические формы кровли и куполов и производилось их покрытие. После того как были сняты наружные леса, Храм предстал перед москвичами во всем своем величии и красоте. Его одинаковые четыре фасада, по всем сторонам света с широчайшими крыльцами, с выступами - порталами в углах и массивными литыми бронзовыми дверями**** (по три на каждом фасаде), придавали Храму строгость. Он стоял на открытой площадке, просматривающейся со всех сторон, дополняя архитектурный ансамбль Боровицкого холма. В центре - Кремль, на углу Красной площади и Никольской улицы - Казанский собор, с другой стороны площади - Покровский собор и на некотором отдалении от Кремля, как бы уравновешивая Казанский и Покровский, - Храм Христа Спасителя. Он гордо возвышался в самом центре Москвы и был действительно национальным памятником русскому народу, его героизму, его жертвенности во имя победы в Отечественной войне.
Золочение архитектурных деталей для Храма производилось дважды: с 1854 по 1856 год, когда золотились медные листы для пяти куполов, и с 1852 по 1862 год, когда покрывалась позолотой двухметровая бронзовая балюстрада, установленная на крыше аттика Храма, между малыми главами, для того чтобы закрыть портящие вид Храма печные трубы.