Закладка Казанского собора состоялась 27 августа 1801 года. Постройка его длилась целое десятилетие.
Воронихин подошел к поставленной перед ним задаче как мастер-градостроитель высокого класса. Ему предстояло учесть пожелание императора Павла I, требовавшего, чтобы за образец Казанского собора был взят храм Святого Петра в Риме с его открытой колоннадой. Тем не менее решение Воронихина оказалось во многом противоположно решению римского храма.
При проектировании Казанского собора перед зодчим стояло немало трудностей. Одна из них состояла в том, что, по традиции, алтарь должен быть ориентирован на восток. Так как на Невский выходил северный фасад собора, то получалось, что главный вход должен был обращен не к центральному городскому проспекту, а к второстепенной улице. Архитектору предстояло сделать боковой фасад таким, чтобы при взгляде на него забывалось, что этот фасад – не главный. Решение Воронихина оказалось исключительным по смелости и красоте.
Казанский собор имеет в плане форму латинского креста. В соответствии с традицией его алтарная часть обращена на восток. На Невский проспект выходит северный фасад собора, к которому примыкает колоннада из 96 стоящих в четыре ряда колонн. Грандиозная и вместе с тем легкая, она своими полукруглыми крыльями раскрыта навстречу Невскому проспекту, охватывая широкую площадь перед собором. Крылья колоннады замыкаются монументальными порталами, представляющими собой сквозные проезды. А.Н. Воронихин предполагал устроить такую же колоннаду и на южном фасаде собора, но этот замысел не был осуществлен.
Колоннада скрывает основную часть здания. Лишь в центре над рядами колонн поднимается на круглом барабане высокий купол 70-метровой высоты. Длина храма составляет 72,5 м, ширина – 56,7 м. Длина каждого из крыльев колоннады составляет 42,7 м.
Весь фасад Казанского собора облицован пудожским (пудостским) камнем. Этот мягкий известняк, который добывался в 9 км от Гатчины, близ деревни Пудость, или Пудож (отсюда его название), в первое время после выломки легко пилится и даже режется ножом, и из него можно вырезать любые фигуры и самый тонкий орнамент. Но зато потом, после продолжительного пребывания на воздухе, камень твердеет и приобретает прочность кирпича. Из пудожского камня вытесаны наружные колонны, балюстрады и рельефы собора.
Во внешнем оформлении храма широко использована скульптура. Рельефное панно «Иссекание Моисеем воды в пустыне» над восточным проездом выполнено И.П. Мартосом, панно «Воздвижение медного змия» над западным проездом – И.П. Прокофьевым. Фриз над апсидой храма, изображающий «Вход в Иерусалим», создан Д. Рашеттом. В нишах за колоннами стоят большие скульптуры: князь Владимир и Александр Невский (работы скульптора С.С. Пименова), Андрей Первозванный (работы В.И. Демут-Малиновского) и Иоанн Предтеча (работы И.П. Мартоса). Отливка статуй была поручена лучшему русскому литейщику начала XIX века В.П. Екимову. Барельефы и статуи на фасадах собора – выдающиеся произведения русской скульптуры, имеющие большую самостоятельную художественную ценность. Первоначально над крыльями колоннады возвышались бронзовые статуи архангела Михаила – ангела войны и архангела Гавриила – ангела мира, но в 1827 году они были сняты.
Внутри Казанский собор легок, светел и напоминает, скорее, дворцовый зал, чем храм. Три его нефа разделяются великолепными колоннадами из двух рядов колонн – их здесь 56. Колонны высечены из розового финляндского гранита, который по своей плотности и цвету не уступает египетскому, они создают основной эффект от внутреннего убранства собора и придают ему исключительную торжественность. Изготовлены колонны в начале XIX века мастером каменных дел Самсоном Сухановым. Бронзовые капители для них отливал литейщик Тарас Котов.
Четыре мощных пилона поддерживают стройный и легкий купол, состоящий из трех оболочек. Его диаметр превышает 17 м. В куполе устроены круглые окна, освещающие подкупольное пространство. Внешняя оболочка выполнена из кованого железа в виде радиально расходящихся ребер. В свое время высказывались сомнения в прочности этой конструкции, но проект Воронихина оказался безупречным как с художественной, так и с технической точки зрения.
Пол храма покрывает мраморная мозаика. В 1805–1806 годах для Казанского собора были отлиты из бронзы двери северного входа, воспроизводящие «Райские двери» баптистерия во Флоренции, работы знаменитого флорентийского скульптора XV века Лоренцо Гиберти. Гипсовый слепок этих дверей Петербургская Академия художеств приобрела в 1774 году, а отливку и чеканку дверей выполнил В.П. Екимов. Наличники дверей покрыты позолоченным лепным орнаментом.