Работа по золочению глав проводилась петербургской фабрикой Моран. Для точной подгонки листов на фабрике были построены каркасы куполов.
Кресты и украшения, имеющие в деталях впадины, возвышения и остроконечия, были отлиты из бронзы, вычеканены и вызолочены через огонь за три раза, равно как и цепи, укрепляющие кресты.
Золочение через огонь - древний способ. Для этого составляли амальгаму, растворяя золото в ртути. Изделие помещали на раскаленные угли и натирали амальгамой. Ртуть испарялась, а золото оставалось на изделии.
Для проверки качества покрытия золотом медных листов из партии отбирали по два листа, с которых снимали золото шабровкой*. Для удаления меди, которая при шабровке снималась вместе с золотом, стружку травили в азотной кислоте, и золото взвешивалось. Таким же способом снимали золото с листов, содранных с куполов Храма, при разборке его.
Площадь куполов для золочения составляла 3166 квадратных метров, балюстрад (ее длина около 175 м) - 1435 квадратных метров, всего 4601 квадратный метр.
В 1860 году начались внутренние отделочные работы. Для облицовки внутренних стен был использован мрамор семи пород, доставляемый из Италии, Бельгии, а также отечественный - темно-зеленого цвета с кристаллами серебристого блеска и темно-красный - известный шокшинский порфир. Восемнадцать колонн были изготовлены из зелено-волокнистой яшмы.
Главный иконостас алтарной части Храма, занимающий более двухсот квадратных метров, представлял собой беломраморную восьмигранную часовню с инкрустацией из различных пород мрамора. Часовня венчалась сужающимся кверху бронзовым вызолоченным шатром.**
Иконы для главного иконостаса выполняли известные художники того времени: Горбунов, Неф, Сорокин, Макаров, Бронников, Васильев, Шильцов. Главный алтарь расписывали художники Верещагин*, Семирадский, Журавлев, Сорокин, Корзухин, Васильев, Литовченко, Фартусов, Максимов. Пояс центрального купола расписывали художники Басин и Кошелев. Свод главного купола расписывал Марков. Три фрески для южного и западного приделов исполнил Маковский. Для этих же приделов четыре фрески создал Прянишников. Тема четырех живописных работ Сурикова в западном приделе - первые четыре Вселенских православных собора.**
В росписи Храма участвовало до сорока художников.
В печати нередко упоминается участие В. Васнецова в настенной живописи Храма Христа. Однако картин его в Храме не было, и только после освящения его художник передал две исполненные им иконы - Богоматерь (на престоле) и Спас (на престоле).
Интерьер Храма украшали несколько десятков живописных работ известных художников того времени. В боковых «коридорах» здания - в пространстве между внешними стенами и четырьмя несущими пилонами - на 59 стенах были укреплены 177 мраморных досок, на которых запечатлена летопись Отечественной войны 1812 года с именами всех убитых, раненых и награжденных воинов от генерала до прапорщика, а также приказы по армии. Описано 71 сражение, происходившее во время войны в России 1812 года, в том числе Бородинская битва, в которой было до 300 тысяч участников с обеих сторон, до 100 тысяч погибших, более тысячи пушек. Отражены 87 сражений, происходивших за границей.
Центральная часть Храма была посвящена Рождеству Христа Спасителя. Левый северный придел Храма - князю Александру Невскому. Правый южный придел - святителю чудотворцу Николаю. Западное крыло Храма посвящалось деятелям русской церкви, распространившим и укреплявшим православную веру в России. Помещение Храма освещалось 60 окнами.
Пол в Храме представлял собой разноцветный ковер, где в разнообразных вариациях, словно в калейдоскопе, сочетались круги, звезды, шашки и другие фигуры из Лабрадора, шокшин-ского порфира и разных пород итальянского и бельгийского мрамора.
Храм освещался 35 люстрами с 264 бронзовыми подсвечниками. На позолоту церковной утвари потребовался 721 фунт золота.
Общий внутренний объем Храма составлял 102,5 тысячи кубометров, занимаемая Храмом площадь вместе с крыльцами - 6823 квадратных метра, внутренняя - 3990. Храм мог вместить 7200 человек без приделов, коридоров и хоров, которые не испытывали ни тесноты, ни духоты. Для сравнения - Большой театр рассчитан на тысячу мест, правда, сидящих зрителей. Высота Храма до верхнего креста - 103,5 метра, намного выше колокольни Ивана Великого (81 м), которая могла свободно уместиться внутри Храма. Сооружение крестообразное в плане, симметрично относительно вертикальной оси: у него четыре одинаковых фасада, четыре колокольни по углам и огромный центральный купол, опирающийся на четыре массивных пилона. Всего на строительство Храма с 1837 по 1883 год в день Вознесения Господня Государственным казначейством было ассигновано 15123163 рубля 89 копеек.
К 1881 году была устроена набережная, на площади возле Храма установлены фонари и закончена внутренняя отделка здания. Свыше двух лет стоял готовый Храм в ожидании освящения его, приуроченного к коронации царя Александра III. Несколько ранее новому Храму было присвоено наименование «Кафедральный во имя Христа Спасителя собор». 26 мая 1883 года произошло освящение Храма в присутствии императора Александра III.