Работами на каменоломне руководил подрядчик С. К. Суханов, который также участвовал в работах по созданию Ростральных колонн и Казанского собора. В Пютерлаксе он применил следующий метод выломки монолитов.
Транспортировка из каменоломни осуществлявлась на плоскодонных судах, специально для этого изготовленных на заводе Чарльза Берда. Монолиты колонн скатывали на морской берег, где их грузили на баржи. Каждое судно буксировалось двумя пароходами до пристани в Петербурге. Там монолиты выгружали и перевозили по специальному рельсовому пути на строительную площадку для их окончательной обработки. Применение этого рельсового пути на строительной площадке стало первым в России.
Следующим этапом строительства было возведение портиков до постройки стен собора. Такое решение архитектора, противоречащее правилам архитектуры, обуславливалось сложностью установки гранитных колонн.
Первая колонна была установлена 20 марта 1828 года в присутствии царской семьи, иностранных гостей, многих архитекторов, специально приехавших для этого торжества, и простых горожан, заполнивших собой площадь и крыши окрестных домов. Под основание колонны была заложена платиновая медаль с изображением Александра I.
Сооружение портиков завершилось к осени 1830 года, когда жители Петербурга уже могли видеть четыре 12-тиколонных портика и алтарную часть старой ринальдиевской церкви.
Затем началась постройка опорных пилонов и стен собора. Тут применялась кладка из кирпичей, скреплённых известковым раствором. Для бо́льшей прочности применяли гранитные прокладки и металлические связи различного профиля. Толщина стен составляла от 2.5 до 5 метров. Толщина наружной мраморной облицовки составляла 50—60 см, внутренней — 15—20 см. Она выполнялась одновременно с кирпичной кладкой, с помощью железных крючьев (пиронов), вставленных в специально высверленные для этого отверстия. Для устройства кровли были изготовлены стропила из кованого железа. Внутри южной и северной стен устроили вентиляционные галереи. Для естественного освещения собора над галереями аттика сделали световые галереи.
В 1837 году, когда было завершено основание купола, была начата установка 24 верхних колонн. Колонны подымались наверх по наклонному настилу на специальных тележках при помощи оригинальных механизмов. Для поворота колонн использовались приспособления из двух чугунных кругов, в борозду нижнего из которых вставлялись шары.
Следующим этапом строительства собора было сооружение купола. Монферран стремился сделать его максимально лёгким без потери прочности. Для этого он предложил сделать его не кирпичным, а полностью металлическим. Расчёты купола выполнил инженер П. К. Ломновский. Отливка металлоконструкций купола проводилась на заводе Чарльза Берда. При этом было использовано 490 тонн железа, 990 тонн чугуна, 49 тонн меди и 30 тонн бронзы. Купол Исаакиевского собора стал третьим куполом в мире, выполненным с применением металлических конструкций и оболочек (после башни Невьянского завода на Урале, построенной в 1725 году, и купола Майнцского собора — в 1828).
Торжественное освящение собора состоялось в 1858 году, 30 мая, в день памяти преподобного Исаакия Далматского
Исаакиевский собор — выдающийся образец позднего классицизма, в котором уже проявляются новые направления (неоренессанс, византийский стиль, эклектика), а также уникальное архитектурное сооружение и высотная доминанта центральной части города.
Высота собора 101,5 м, длина и ширина — около 100 метров. Наружный диаметр купола — 25,8 м. Здание украшает 112 монолитных гранитных колонн разных размеров. Стены облицованы светло-серым рускеальским мрамором. При установке колонн были использованы деревянные конструкции инженера А. Бетанкура. На фризе одного из портиков можно разглядеть скульптурное изображение самого архитектора).
Северный фасад
Фраза, помещённая во фризе северного портика, — «Господи, силою твоею возвеселится царь»,— может считаться выражением идеи всего сооружения.
Рельеф фронтона северного портика — это «Воскресение Христа» (1839—1843, скульптор Ф. Лемер). В центре композиции — поднявшийся из гроба Христос, справа и слева от него — ангелы, а за ними перепуганные стражники и потрясённые женщины. Идея о воскресении Христа, который по приговору суда был распят на кресте и на третий день воскрес из мёртвых, лежит в основе всей христианской религии. В честь Иисуса Христа, победившего смерть и даровавшего людям надежду на спасение и бессмертие, празднуется самый торжественный и радостный праздник христианской церкви — Пасха. Именно в честь этого праздника зажигаются высокие светильники в углах собора, над аттиком, и руки коленопреклонённых ангелов (скульптор И. П. Витали) благоговейно поддерживают их.
Статуи, расположенные на углах и вершинах фронтонов, представляют 12 святых апостолов (скульптор Витали) — ближайших учеников Иисуса Христа, — причём вершины увенчаны статуями евангелистов, то есть авторов Евангелий — первых 4 книг Нового завета, повествующих об учении и жизни Иисуса.
Апостол Пётр, Апостол Павел (справа) изображён с мечом, символом его ревностного служения Иисусу Христу, Евангелист Иоанн (в центре) изображён с орлом. Двери: (скульптор Витали) «Вход в Иерусалим», «Се человек», «Бичевание Христа», Св. Николай Чудотворец, Преподобный Исаакий Далматский, Коленопреклонённые ангелы.
Западный фасад
На фронтоне западного портика — барельеф «Встреча Исаакия Далматского с императором Феодосием», выполненный в 1842—1845 годах скульптором И. П. Витали. Его сюжетом является единение двух ветвей власти — царской и духовной (неслучайно портик обращён в сторону Сената и Синода). Изображённый в центре барельефа Исаакий Далматский с крестом в левой руке другой словно благословляет склонившего голову Феодосия, одетого в доспехи. Слева от императора — его жена Флаксилла. Ещё левее — две фигуры, в первой из которых улавливается сходство с президентом Академии художеств А. Н. Оленина, а во второй — c министром императорского двора и председателя Комиссии по строительству собора князя П. М. Волконского. В правой части — коленопреклоненные воины.В левом углу барельефа изображена небольшая полуобнажённая фигура с моделью собора в руках — портрет автора проекта Исаакиевского собора О. Монферрана. Надпись по фризу — «Царю царствующих».
Фома (скульптор Витали) — этот апостол изображён с угольником в левой руке (как архитектор), с протянутой вперёд правой рукой, с удивлённым выражением на лице. Он был склонен к маловерию и в воскресение Христа поверил только тогда, когда дотронулся до него.
Варфоломей (скульптор Витали) — изображён с крестом и скребком. Он проповедовал учение в Аравии, Эфиопии, Индии, Армении, где и принял мученическую смерть: с него скребком содрали кожу, а затем повесили вниз головой.
Марк (скульптор Витали) — евангелист изображён со львом, символизирующим мудрость и отвагу. Проповедуя учение Христа, он принял мученическую смерть в Александрии.
Дверь: скульптор Витали: «Нагорная проповедь», «Воскрешение Лазаря», «Исцеление расслабленного», Апостол Пётр, Апостол Павел, Коленопреклонённые ангелы.
Южный фасад
На фронтоне южного портика помещён выполненный в 1839—1844 годах скульптором И. П. Витали барельеф «Поклонение волхвов». Надпись по фризу — «Храм мой храм молитвы наречётся».
Андрей (скульптор Витали) — проповедовал во многих странах, даже в Русской земле. Его распяли на кресте особой формы, наподобие буквы Х, который с тех пор стали называть Андреевским. В России он считается покровителем флота; при Петре I был учреждён Андреевский флаг, а также Орден Святого апостола Андрея Первозванного.
Филипп (скульптор Витали) — скромный и незаметный, он ничем особенным среди учеников Христа не выделялся. Предание говорит, что он проповедовал Евангелие в Скифии и Фригии и принял смерть, распятый на кресте.
Матфей (скульптор Витали) — евангелист изображён в момент работы, с ангелом за спиной, символом чистоты деяний и помыслов; он принял мученическую смерть за Христа: его побили камнями, а затем обезглавили.
Левая ниша — «Благовещение» (скульптор А. В. Логановский), Правая ниша — «Избиение младенцев» (скульптор А. В. Логановский)
Двери: скульптор Витали: «Сретение», «Бегство в Египет», «Христос объясняет св. писание в храме», Александр Невский, Архангел Михаил, Коленопреклонённые ангелы.
Восточный фасад
На барельефе восточного портика, обращённого в сторону Невского проспекта: «Исаакий Далматский останавливает императора Валента» (1841—1845, скульптор Лемер). В центре барельефа — Исаакий Далматский преграждает путь императору Валенту, предсказывая ему скорую гибель, опытный воин, царствовавший до Феодосия, был покровителем ариан, учение которых представляло собой попытку пересмотра христианского учения. Исаакий Далматский, последователь христиан, был посажен в темницу (на барельефе изображён момент, когда воины цепями сковывают ему руки), и освободил его лишь Феодосий, последователь христианского учения. Надпись по фризу: «На Тя Господи уповахом, да не посрамимся во веки».
Иаков (скульптор Витали) — брат евангелиста Иоанна, он имел характер деятельный, был решителен и непоколебим в вере, за что и пострадал быстрее прочих. Первый мученик среди апостолов, Иаков был обезглавлен в Иерусалиме.
Симон (скульптор Витали) — брат апостола Андрея, изображён с пилой. Этот апостол просветил учением Христовым Африку, по другому преданию — Британские острова, Вавилонию, Персию, и был распят на кресте. Пила — символ мучений, которые довелось испытать всем апостолам.
Лука (скульптор Витали) - евангелист изображён с тельцом, символизирующим святость завета. Он проповедовал в Ливии, Египте, Македонии, Италии и Греции и по одной версии мирно скончался в 80-летнем возрасте; по другой — принял мученическую смерть и за неимением креста был повешен на оливковом дереве.
Интерьер
К. П. Брюллов. Богоматерь в окружении святых. Плафон главного купола. Фигуры 12 апостолов в барабане купола написаны П. А. Басиным по картонам Брюллова
В соборе три алтаря, главный посвящён Исаакию Далматскому, левый — Великомученице Екатерине, правый — благоверному Александру Невскому. Интерьеры отделаны мрамором, малахитом, лазуритом, золочёной бронзой и мозаикой. Работы над интерьером начались с 1841 года, в них приняли участие знаменитые русские художники (Ф. А. Бруни, К. П. Брюллов, И. Д. Бурухин, В. К. Шебуев, Ф. Н. Рисс) и скульпторы (И. П. Витали, П. К. Клодт).
В храме есть витражи.
В Исаакиевском соборе представлено уникальное собрание монументальной живописи в технике энкаустики первой половины XIX века — 150 панно и картин. Для работ над росписями были привлечены художники-академисты Брюллов, Басин, Бруни, Шебуев, Марков, Алексеев, Шамшин, Завьялов и другие. Руководство живописными работами было возложено на ректора Петербургской Академии художеств профессора В. К. Шебуева, проект декора и общая концепция росписей были разработаны Монферраном.
Так как в соборе из-за перепада температур, высокой влажности и отсутствия вентиляции сложились неблагоприятные условия для сохранения росписей в первозданном виде, при декорировании внутренних помещений с 1851 года было решено для оформления интерьера использовать мозаику.