大教堂造型雄伟壮观，建筑地基深达10米，外部共有112根整块的深玫瑰色和斑环花岗岩圆柱，其中四面48根廊柱每个高17米，直径2米，重达114吨，作为教堂的廊柱是全世界最大的。建筑四角竖有钟楼，各带一个相对较小的圆顶，它们与中央圆顶共同组成东正教教堂传统的五圆顶。教堂四周各竖有16根粗大的花岗岩石柱，成双排托起雕花山墙。整座建筑材料重达30万吨，被视为俄罗斯晚期古典主义建筑的精华。
教堂在总体结构和装饰细节上反映了19世纪俄国建筑晚期古典主义的特征，同时兼具文艺复兴和巴罗克艺术的印记，这一点特别表现在建筑外部采用了大量雕塑装饰。东西南北四个门廊上方的三角楣饰、建筑顶端的圣徒和天使雕像，以及巨大门扇上的浮雕，表现的是福音全书故事情节。整个教堂共饰有350个雕像和浮雕，均为雕塑家维塔利等人的作品，它们和谐地融入整体建筑结构之中。用橡木制成的3 扇巨门，每扇门的面积为42 平方米，重达20 吨。大教堂的内外部装修更为考究，光黄金就用去400 公斤，教堂内有许多镀金的、青铜的和
大理石雕塑，有多幅色彩斑斓的镶嵌画和宗教画，还有用乌拉尔宝石和名贵孔雀石、天青石制作的艺术品作为装饰。教堂内有铁梯可以直达顶部大平台。
教堂的穹顶，圆顶外直径25.8米，内直径21.8米；穹形外部的圆顶镏金就用掉了100公斤的黄金，教堂自落成以来没有重新镀金，巨大的圆顶历经一个半世纪从未整修依然金光灿灿。
大教堂内部，因采用大量珍稀彩色石料而显得既庄重又华丽。主祭坛圣像壁65幅圣像以白色
意大利大理石作框饰，用乌拉尔孔雀石壁柱分割。地面为棋盘状深、浅灰色大理石方砖，中央是巨大的玫瑰花环，由玫瑰红和樱桃红大理石拼成。墙体上下分别为白色大理石和黑色板岩，以浅红色和樱桃红色大理石作装饰裙线。而150幅壁画和
马赛克镶嵌画更从色彩上突出了整个空间的富丽堂皇。其中圆顶壁画《圣母在圣徒的陪伴下》面积达800平方米，由著名画家布留洛夫等人创作。
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