Храм спроектирован по образцу восходившего к византийским образцам, наиболее величественного и одновременно традиционного типа древнерусской соборной церкви. Пятикупольный, четырехстолпный, с характерным позакомарным перекрытием: каждая перекрытая сводом часть храма получала прямое выражение на фасадах в виде криволинейного завершения. Вместе с этим Тон воспроизводит и ряд второстепенных особенностей древней архитектуры, которые имели важное символистическое значение и ассоциировались с совершенно определенными прототипами. Некоторые элементы были свойственны московским храмам XV-XVI веков (Благовещенской собор и церковь Ризположения).

Форма главного купола и боковых глав-колоколен также восходит к древнерусским прототипам. Все они имеют характерную для московских храмов XV – XVI веков луковичную форму. Тон придал Храму Христа Спасителя еще одну характерную для древнерусского храма соборного типа особенность – опоясывающую основной объем церкви крытую галерею. В древнерусских храмах она устраивалась более низкой, чем основной объем, придавая тем самым церкви ступенчатый силуэт и ярко выраженную вертикальность общей композиции. В проекте Тона галерея двухярусная, в ней архитектор как бы соединил сразу два разновременные, но одинаково распространенные в древнерусском зодчестве элементы – галереи и хоры.

Нижний коридор (галерея) предназначался для описания сражений Отечественной войны. Принцип записи был следующий: название сражения, дата, имя командующего, участвующие войска и орудия, имена убитых и раненых в этом сражении офицеров и общее число погибших и раненых нижних чинов. Это было полной противоположностью того, что предлагал Витберг (увековечить память ВСЕХ погибших воинов, не смотря на их погоны).

Тон посвящает главный алтарь храма Рождеству Христову, а его приделы – Николаю Чудотворцу (связывался с Николаем I, воплотившим в жизнь замысел своего брата) и Александру Невскому (соотносился с именами трех Императоров: Александра I, ему принадлежала идея создания храма; Александра II, пари нем было завершено строительство и Александра III, в его царствование храм был освящен).

В плане храм представляет равноконечный крест, называемый еще греческим. Крестообразность достигалась не за счет пристройки портиков к прямоугольному или квадратному в плане объему храма, как в проекте Витберга и как вообще в храмах, созданных в стиле классицизма. Крест – символ крестной муки, принятой павшими во имя спасения Отечества. Подвиг павших воинов сравнивается с искупительной жертвой Христа. Крестообразные в плане церкви встречались, но не часто в древнерусской архитектуре. Такой план в стиле барокко имеет собор Смольного монастыря. Плану здания в виде равноконечного креста соответствуют одинаковые по композиции и облику фасады, но различаются они только тематикой расположенных на их поверхности скульптурных композиций.

Основные особенности архитектурного облика храма определились уже в 1832 году. Однако в ходе длительного строительства процесс проектирования не прекращался вплоть до его завершения. В проект непрерывно вносились изменения, которые сводятся, по большой степени, к увеличению сходства с наиболее известными московскими историческими памятниками. Первым в 1840-е годы появляются опоясывающие фасады на уровне окна небольшие арки, опирающиеся на колонны (аркатурный пояс). Он (пояс) воспроизводил характерную особенность фасадов Успенского собора Московского Кремля, который в свою очередь строился по подобию храма древнего Владимира. В то же время главам боковых колоколенок придается ребристая форма, напоминающая главы малых столпов собора Василия Блаженного.

В 1851 году Тон вносит в проект еще ряд изменений: окна барабана главного купола окружаются аркадой, такой же как и на главных фасадах, а главному куполу придается такая же ребристая форма, что и малым куполам (ранее на этих куполах предполагалось изобразить звезды). Самым важным дополнением становится украшение раковинами кокошников центральной главы. Этот элемент в соединении с другими уподоблял Храм Христа Спасителя группе главных храмов Соборной площади Кремля, как бы уравнивая новый храм с историческими предшественниками, подчеркивая его важность, как национального памятника, связь новой истории России с древней, укорененность ее в прошлое и верность традициям. Таким образом, в Храме Христа Спасителя все символично и направлено на выражение идеи народности, все подчинено тому, чтобы сделать памятник Отечественной войны 1812 года памятником русской национальной истории и главным храмом России.

Но в композиции храма присутствуют признаки классицизма, массивный кубовидный объем, относительная грузность пропорций. Прототипом Исаакиевского собора была форма пятиглавия: купол на широком барабане и относительно небольшие боковые главы-колокольни. Тон не случайно ориентируется на некоторые особенности Исаакиевского собора: Храм Христа Спасителя пытается «встать» вровень с собором в Санкт-Петербурге, потому как Исаакиевский собор своими размерами, месторасположением, значением превращался в символ новой европеизированной России. Храм Христа Спасителя становится антиподом Петербургского собора, так как он символизирует иную концепцию российской истории, связанную в своих истоках с древней Русью и Византией.

Основным композиционным элементом интерьера храма становится подкупольное пространство, главенство которого было выражено не только центральным положением, но и высотой, которая больше чем в два раза превосходила высоту примыкающих к подкупольному пространству ветвей креста. Нижняя восьмигранная в плане подкупольная часть с помощью парусов естественно «перетекала» в круглые формы барабана и купола. В процессе работы оформление интерьеров храма претерпело еще большие изменения чем оформление фасадов. Переработка их проектов идет в том же направлении что и переработка внешнего облика здания: с усилением черт национальной художественной традиции. Первоначально проектом предусматривалась только скульптурная отделка, выполненная в стиле классицизма. В процессе переработки стены храма внутри украсили сюжетные и орнаментальные росписи.

Напротив главного входа, в восточной ветви креста проектируется уникальный по композиции иконостас в виде беломраморной восьмигранной часовни, увенчанной бронзовым шатром. Необычность иконостаса, не имеющего аналогов в древнерусской и послепетровской архитектуре и оставшегося единственным в своем роде, заключалась в том, что он имел вид шатрового храма, тип которого был распространен на Руси в XVI - первой половине XVII веков. Таким образом, появившееся в интерьере своего рода храм в храме подчеркивал уникальность Храма Христа Спасителя, его высокое значение своеобразного Храма Храмов.