В 1852–1855 гг. архимандрит Антонин провел в подвалах храма тщательные археологические раскопки. Следует упомянуть также, что на внутренней стене церкви оказались найдены граффити XI в. При восстановлении здания был сохранен его первоначальный план и устранены позднейшие пристройки, а также раскрыты заложенные проемы. Уцелевшие древние фрески были реставрированы и в 1847 г. дополнены работами мюнхенского художника романтического направления Генриха Тирша (Тьерха; 1825–1909), знатока византийского искусства[1211]
. Свои работы художник выполнял под наблюдением греческого инженера, майора Телемахоса Влассопулоса, и о. Антонина (Капустина). Роспись сводов церкви, как и другие стилизованные орнаменты, исполнил итальянский художник Винченцо Ланца.Византийский мраморный низкий иконостас был заменен тремя более высокими русскими иконостасами, которые, как и престол, выполнил из белого паросского и пентелийского мрамора французский мастер Флоримон Буланже, украсив их богатой рельефной резьбой и позолотой. Царские врата были вырезаны из красного дерева по эскизу Р.И. Кузьмина. 17 образов в главном иконостасе написал маслом на цинке Г. Тирш. Среди изображенных святых шесть были русскими: трое из северной и трое из южной России, остальные – греческими. В малых иконостасах поместили медальоны, где были представлены шесть небесных покровителей семьи императора Николая I. Несколько икон были написаны русским художником П.М. Шамшиным, учеником В. Васнецова.
После проведенной реставрации древний крестово-купольный храм, снабженный двумя внутренними рядами легких полукруглых арок и множеством окон, стал одним из красивейших в греческой столице, производя впечатление на посетителей гармоничным византийским интерьером и его богатым живописным убранством. Его архитектура в целом сооответствовала константинопольским постройкам эпохи императора Юстиниана, выделявшимся внушительными размерами и красивою кладкой (церковь Пресвятой Троицы и сейчас является самым большим средневековым зданием в Афинах)[1212]
. Внутренний зал, с куполом на восьми колоннах и с верхней галереей (хорами), нередко сравнивали с собором Святой Софии в Константинополе. Отдельно стоящая трехъярусная колокольня была в 1850 г. возведена заново, по рисунку настоятеля о. Антонина, из желтого песчаника, красного кирпича и белого мрамора, в том же стиле, что и церковь. Своим видом она напоминала одну из византийских колоколен в Мистре (вблизи Спарты)[1213].Восстановительные работы продолжались около пяти лет. В письмах митрополиту Новгородскому и Санкт-Петербургскому Никандру от 1 января 1954 г. и 3 января 1955 г. архимандрит Антонин высказал свои предложения по проведению церемонии освящения и дальнейшему благоустройству храма, в частности, о необходимости освятить три престола, прислать две-три тысячи серебряных крестиков для раздачи верующим в день освящения, привезти из России ризницу для храма и колокол весом не менее 300 пудов[1214]
.В отношении от 15 февраля 1855 г. митрополит Никандр попросил благословение Святейшего Синода на освящение храма, изложив все предложения о. Антонина. 18 февраля исполнявший должность обер-прокурора А.И. Карасевский написал об этом управляющему Министерства иностранных дел, отметив, что храм желательно освятить к дню Пасхи с приглашением членов Синода Элладской Церкви[1215]
.4 марта управляющий министерства ответил, что он уже докладывал императору о предстоящем освящении, и Николай I разрешил российскому посланнику в Греции пригласить для совершения этой церемонии, за неимением русского архиерея, Афинского митрополита или кого-нибудь из членов Элладского Синода. 7 марта Министерство иностранных дел сообщило А.И. Карасевскому, что император соизволил разрешить освятить главный престол храма во имя Пресвятой Троицы, а два боковых придела – во имя св. прав. Никодима и свт. Николая Чудотворца. Ризница для новой церкви будет выслана не от Кабинета его императорского величества, а от Министерства иностранных дел, оно же выделит средства на колокола, Синод, в свою очередь, может послать Евангелие или икону[1216]
.