Форма собора напоминает в плане вытянутый латинский крест. Наружная колоннада собора только отдаленно напоминает колоннаду римского прототипа; два ее крыла, вогнутые в плане, состоят из множества мощных высоких каннелированных коринфских колонн, несущих антаблемент с балюстрадой. Коринфская каннелированная колоннада, примененная здесь впервые в русской архитектуре и образующая площадь на Невском, скрывает основную часть самого фасада. Только в центре над рядами колонн поднимается на круглом барабане красивый купол.
В композиции фасадов собора важную роль играют произведения скульптуры. Аттики, венчающие боковые портики наружной колоннады собора, заполняют длинные барельефные фризы, их сюжеты заимствованы из Библии. Однако здесь библейские сюжеты послужили художникам только поводом для раскрытия темы героя, приходящего в трудный момент на помощь своему народу. В нишах бронзовые скульптуры святых князей Владимира и Александра Невского, Иоанна Крестителя и Андрея Первозванного выливали по моделям, созданным крупнейшими ваятелями классицизма – С.С. Пименовым, И.П. Мартосом, И.П. Прокофьевым, В.И. Демут-Малиновским, А.А. Анисимовым; они и Ж.-Д. Рашетт выполнили барельефы.
Внутри Казанский собор мало похож на традиционный храм, он больше напоминает огромный дворцовый зал, 56 монолитных колонн, базы и коринфские капители которых усиливают торжественный внутренний вид собора. Двери северного входа в храм являются бронзовой копией дверей Флорентийского баптистерия (выполненных знаменитым итальянским скульптором Лоренцо Гиберти в XV в.). В 1813 г. в северном приделе соорудили склеп, в котором погребли тело М.И. Кутузова-Смоленского. В 1837 г. перед собором установили памятники выдающимся полководцам, героям войны 1812 г. – князю М.И. Кутузову-Смоленскому и князю М.Б. Барклаю-де-Толли (скульптор Б.И. Орловский). Памятники имеют портретные лица этих полководцев. Это был первый случай в истории России, когда у православного храма установили портретные статуи. В 1811 г. Воронихин устроил вокруг собора великолепную чугунную ограду длиной 153 м.
Интересным является инженерное решение собора. Для создания купола диаметром более 17 м Воронихин успешно и впервые применил для такой конструкции железо и чугун, этот первый в мире купол на металлических конструкциях был тогда строительной новацией.
Собор воспринимался и как историко-архитектурный и отчасти музейный комплекс. В 1813–1814 гг. в нем были размещены военные трофеи, захваченные русской армией в Отечественной войне 1812 г. и заграничных кампаниях 1813–1814 гг. В 1900 г. перед собором разбили сквер, украшенный фонтаном.
Посещая этот собор, полезно вспомнить и задуматься над судьбой похороненного в нем фельдмаршала М.И. Кутузова.