Нового конкурса не проводилось, и в 1831 году Николай I самолично определил архитектором Константина Тона, «русско-византийский» стиль которого был близок вкусам нового императора. Новое место на Чертолье (Волхонка) было также избрано самим Николаем I; бывшие там постройки были куплены и снесены. Был снесён и располагавшийся там Алексеевский женский монастырь, памятник XVII века (переведён в Красное село). Московская молва сохранила предание, что игуменья Алексеевской обители, недовольная таким поворотом, прокляла место и предрекла, что ничто не устоит на нём долго.
Второй храм, в отличие от первого, строился практически полностью за казённый счёт.
Художник В. В. Верещагин считал, что выполненный «довольно бездарным архитектором Тоном» проект собора «есть прямое воспроизведение знаменитого Тадж - махала в городе Агра».
Сооружение храма
Торжественная закладка собора произошла в день 25-летия Бородинского сражения — в августе 1837 года. На закладке присутствовали митрополит Филарет, император Николай I, великие князья Александр Николаевич и Михаил Павлович. В камень для закладки, который был перевезён с места прежней закладки на Воробьёвых горах, была положена крестообразная позолоченная доска, на которой были высечены имена председателя и членов строительной комиссии и архитектора. Однако активное строительство началось только 10 сентября 1839 года и продолжалось почти 44 года; общая стоимость Храма простиралась до 15 миллионов рублей. Свод большого купола закончен в 1849 году; в1860 году были разобраны наружные леса. Ещё 20 лет продолжались работы по внутреннему убранству; над росписью работали знаменитые мастера В. И. Суриков, И. Н. Крамской, В. П. Верещагин и другие известные художники Императорской академии художеств.
Украшением внешних стен храма горельефными изваяниями святых занимались такие известные скульпторы как А. А. Иванов, Н. А. Ромазанов и архитектор И. С. Каминский. Значительный вклад в оформление интерьеров Храма внёс архитектор В. А. Коссов. В 1880 году было утверждено официальное наименование нового Храма — Кафедральный во имя Христа Спасителя собор, составлен штат духовенства и причта, утверждена смета на содержание собора в сумме 66850 рублей в год. К 1881 году были окончены работы по устройству набережной, площади вокруг Храма, и установлены наружные фонари.
26 мая (7 июня) 1883 года состоялось торжественное освящение храма, совершённое митрополитом Московским Иоанникием (Рудневым) с сонмом духовенства и в присутствии Императора Александра III, коронованного в Московском Кремле незадолго до того, а также императрицы, наследника, великой княжны Ксении Александровны. Освящение храма сопровождалось торжественным шествием из Храма Христа Спасителя в Успенский собор и обратно, колокольным звоном всех московских церквей, праздничным салютом. Вслед за освящением в храме была проведена первая литургия.
Жизнь храма до 1931 года
Деятельность в храме очень скоро стала заметным явлением в общественной и культурной жизни, он был центром многих культурных событий и просветительской деятельности.
За год до освящения, 20 августа 1882 года, в храме Христа Спасителя была впервые исполнена Увертюра 1812 года Чайковского, написанная композитором в ознаменование победы России в войне с Наполеоном (дирижёр И. К. Альтани) В церкви был собственный хор, считавшийся одним из лучших в Москве. Среди регентов были знаменитые композиторы А. А. Архангельский и П. Г. Чесноков, исполнялись произведения другого крупного церковного композитора А. Д. Кастальского, звучали голоса Федора Шаляпина и Константина Розова.
В храме торжественно отмечались коронации, всенародные праздники и юбилеи: 500-летие со дня преставления Сергия Радонежского, 100-летие Отечественной войны 1812 года, 300-летие Дома Романовых, открытие памятников Александру III и Николаю Васильевичу Гоголю. Главный престольный праздник храма — Рождество Христово — до 1917 года отмечался православной Москвой как праздник Победы в Отечественной войне 1812 года. В храме была создана богатая библиотека, в которой было множество ценных изданий, и постоянно проводились экскурсии.
Ключарём храма с августа 1917 до ареста в 1922 году был священномученик Александр Хотовицкий. 5 (18) ноября 1917 в соборе, после литургии и молебна, было определено имя Патриарха Московского и всея России — старец Зосимовой пустыни Алексий (Соловьёв) вынул жребий митрополита Тихона (Беллавина).
С января 1918 года специальным декретом государство прекратило финансирование церквей. С целью поддержания жизнедеятельности храма, было организовано Братство Храма Христа Спасителя, которое за короткий срок на средства частных жертвователей провело временное электрическое освещение, организовало церковный хор, читальню, отремонтировало ризницу. Одним из членов Братства был издатель И. Д. Сытин, который на собственные средства выпустил небольшую книгу об истории и архитектуре Храма Христа Спасителя.
С 1922 года храм оказался в ведении обновленческого Высшего Церковного Управления митрополита Антонина, а впоследствии обновленческого Священного Синода — вплоть до закрытия в 1931 году. Настоятелем храма в те годы был один из лидеров обновленчества митрополит Александр Введенский.
Разрушение
13 июля 1931 года состоялось заседание ВЦИК СССР под председательством М. И. Калинина. На этом заседании было принято решение: «Местом для строительства Дворца Советов избрать площадь храма Христа в гор. Москве со сносом самого храма и с необходимым расширением площади». Это решение было ранее подготовлено на заседании Политбюро ВКП (б) 2 июня 1931 года, посвящённом проекту реконструкции Москвы.
Несколько месяцев продолжались спешные работы по разборке здания, однако разобрать его до основания не удалось, и тогда было решено его взорвать. 5 декабря 1931 года было проведено два взрыва — после первого взрыва храм устоял. Современники признавали большую красоту архитектурой громадного храма, москвичи, уважавшие свою историю, видели в нём символ славных побед прошлого и памяти о погибших. По воспоминаниям потрясённых свидетелей, мощные взрывы содрогнули не только близстоящие здания, но чувствовались на расстоянии нескольких кварталов. Только для разборки обломков храма, оставшихся после взрыва, понадобилось почти полтора года.
Строительству Дворца Советов, начатому в 1937 году, не суждено было завершиться — началась Великая Отечественная война, и из подготовленных для монтажа металлических конструкций были изготовлены противотанковые ежи для обороны Москвы, а вскоре едва поднявшееся от уровня фундамента здание пришлось разобрать совсем.
В 1960 году на месте собора появился открытый плавательный бассейн «Москва», просуществовавший до 1994 года.
Воссоздание.
В конце 1980-х годов возникло общественное движение за воссоздание храма Христа Спасителя, одной из движущих идей была идея покаяния. 5 декабря 1990 на месте будущего строительства был установлен гранитный «Закладной» камень, в 1992 году был основан фонд на сооружение храма и с 1994 года начато его строительство.
Проект восстановления храма подготовил реставратор Алексей Денисов.
Строительство нового храма поддерживали многие общественные группы, но несмотря на это, оно было окружено спорами, протестами и обвинениями городских властей в коррупции. Автор проекта воссоздания Денисов отошёл от работы, уступив место Зурабу Церетели, который завершал строительство, отступив от первоначального проекта Денисова, утверждённого московскими властями. Под его руководством на белокаменных стенах появились не мраморные (оригиналы сохранились в Донском монастыре), а бронзовые композиции (горельефы), вызвавшие нарекания, ибо были явным отходом от оригинала. Роспись интерьеров храма была проведена рекомендованными Церетели художниками; культурная ценность этих росписей также спорна. Вместо первоначальной белокаменной облицовки здание получило мраморную, а золочёная кровля заменена на покрытие на основе нитрида титана. Крупные скульптурные медальоны на фасаде храма были выполнены из полимерного материала. Под храмом была размещена двухуровневая подземная парковка на 305 машиномест с автомойкой. Руководителем Координационной группы специалистов по художественному убранству комплекса был священник (впоследствии протоиерей) Леонид Калинин. Он также являлся членом Комиссии по художественному убранству.
6 (19) августа 1996 года, в день Преображения, Патриарх Алексий II совершил чин освящения нижнего Спас-Преображенского храма и первую литургию в нём.
К 1999 году новый храм Христа Спасителя был сооружён как условная внешняя копия своего исторического предшественника: сооружение стало двухуровневым, с храмом Спас - Преображения в цокольном уровне.
31 декабря 1999 года верхний храм был открыт для посещения; в ночь с 6 на 7 января 2000 года была отслужена первая торжественная рождественская литургия.
19 августа 2000 года состоялось великое освящение храма собором архиереев, присутствовавшими на Архиерейском Соборе Русской Церкви; на следующий день в храме состоялась канонизация царской семьи и Собора новомучеников и исповедников Российских.
В 2010 году скульптурные медальоны в тимпанах кокошников были заменены на бронзовые. Протодиакон храма Александр Агейкин напомнил, что находившиеся на храме медальоны были пластиковые и были подняты временно для великого освящения в 2000 году. Решение поднять на воссозданный храм бронзовые медальоны было принято ещё в 1995 году на заседании искусствоведческой комиссии по художественному убранству храма Христа Спасителя. «Было принято решение в существующей экологии поставить бронзовые медальоны, так как белокаменные не смогут устоять. Только в этом будет заключаться отличие нынешнего храма от разрушенного», — сообщил протодиакон. Деньги на этот этап реставрации нашлись только сейчас, благодаря инвестициям фонда храма и правительства Москвы. Однако, бронзовые медальоны вместо белокаменных резных в сочетании с бронзовыми горельефами вместо мраморных совершенно противоречит историческому проекту К. А. Тона.