Wittberga i kierownictwo budowy oskarżono o roztrwonienie środków skarbu na kwotę 1 miliona rubli – po trwającym 8 lat procesie architekt został skazany na konfiskatę majątku i zesłanie do Wiatki.
W drugim ogłoszonym konkursie zwycięzcą został Konstantin Thon, który zaprojektował świątynię w rosyjsko-bizantyjskim stylu, zgodnym z upodobaniami nowego imperatora. Car wskazał też miejsce na budowę nowej świątyni – Czertopole (następnie Prieczystienka, obecnie ul. Wołchonka). Prace budowlane rozpoczęte 10 września 1839 trwały 44 lata, a ich koszty osiągnęły poziom 15 milionów rubli, przy czym były to właściwie wyłącznie środki państwowe. Montaż wielkiej kopuły zakończono w 1849, zewnętrzne rusztowania rozebrano w 1860, a prace wykończeniowe wnętrz kontynuowano do 1880. Przy dekorowaniu cerkwi udział brali najwybitniejsi artyści Akademii Sztuk Pięknych w Petersburgu: Wasilij Surikow, Iwan Kramskoj, Wasilij Wierieszczagin i inni.
Na rok przed poświęceniem soboru, 20 sierpnia 1882 w surowym wnętrzu miało miejsce prawykonanie uwertury Rok 1812 Piotra Czajkowskiego.
26 maja 1883, w obecności nowo koronowanego cara Aleksandra III, świątynia została poświęcona przez metropolitę moskiewskiego Joannicjusza.