Specjalnia komisja zaaprobowana przez cara wybrała na głównego architekta Francuza Auguste de Montferranda (1786–1858), który wcześniej pobierał nauki w pracowni nadwornego architekta cesarza Napoleona Bonaparte, Ch. Perciera. Z czasem okazało się, że wznoszona budowla nie spełnia oczekiwań. Car nakazał wówczas, powołanej w tym celu specjalnej komisji, korektę projektu przy jednoczesnym poszanowaniu, jeśli to możliwe, istniejących ścian i fundamentów. Ponadto zobowiązał komisję do zachowania głównych cech konstrukcyjnych zaplanowanych przez Montferranda. Poprawianiem projektu zajęli się – oprócz samego Montferranda (który został dopuszczony do prac) – Awram Mielnikow, Wasilij Stasow, A. Michajłow Starszy i inni. Ich nadrzędnym celem stało się zachowanie imponującej pod względem rozmiarów kopuły. W tym celu wzmocniono fundamenty i dodano cztery nowe słupy, na których miała się ona oprzeć. Efektem prac zespołu były nowinki architektoniczne: podwójne sklepienie soboru (konstrukcyjne i dekoracyjne) oraz składająca się z trzech części kopuła (jej wewnętrzna czasza ma kształt sfery, środkowa – stożka, a zewnętrzna – paraboloidy). Dzięki zastosowaniu wielu nowatorskich rozwiązań sobór Świętego Izaaka jest trzecią pod względem wielkości świątynią kopułową Europy – wyprzedzają go jedynie bazylika św. Piotra na Watykanie oraz katedra św.