Главную роль в организации ансамбля играет колоннада. Она широко раскрыта к Невскому проспекту, не препятствуя проходу к другим городским кварталам через проезды по улице Плеханова и набережной канала Грибоедова. Цоколь восточного проезда соединяется с облицовкой канала, играющего значительную роль в художественном облике этой части города.

С отдельными элементами колоннады композиционно связаны здания, фиксирующие с трех сторон границы Казанской площади. На противоположной стороне Невского проспекта возвышаются два вплотную поставленных здания. Они ограничены с одной стороны каналом, с другой - улицей Софьи Перовской, через которые открывается выход к городским кварталам на север от собора. На одинаковом расстоянии от проездов построены угловые дома по улице Плеханова и каналу Грибоедова, северные фасады которых обращены к Невскому проспекту. Вторя проездам, эти дома ограничивают площадь с двух сторон, а создается впечатление, что линия полукруга колоннады продолжается до этих зданий. А за ними, по мере движения от колоннады к Невскому проспекту, все шире открывается обзор магистрали. Так широко и свободно осуществляется переход от собора к пространству города, близлежащая часть которого вовлекается в ансамбль.

Казанский собор открыт со всех сторон. И отовсюду, с любого направления, вскрываются разнообразные соотношения его с домами, расположенными вокруг. Благодаря этому яснее обнаруживается организующая роль собора в архитектурном ансамбле. Здания, входящие в него, по высоте согласуются с высотой Казанского собора. Стилистически они неоднородны, но имеют общую черту - строгость архитектурных форм, которая свойственна облику собора. Цельности ансамбля во многом способствует цвет. Все здания светлого тона, приближенного к светло-желтому цвету колоннады. Различные оттенки окраски отдельных зданий не разрушают единства общей цветовой гаммы, содействуют жизнерадостному звучанию ансамбля. Исключение в нем составляет входящее в общий тон контрастным пятном темное здание Дома книги; его башня, увенчанная сферой, вторит главной вертикали собора, подчеркивает высоту купола.

В ансамбль Казанской площади входят и монументы М. Н. Кутузова и М. Б. Барклая-де Толли, установленные через 26 лет после завершения строительства собора. Они расположены на фоне проездов колоннады. Чтобы точнее определить места для монументов, скульптор Б. И. Орловский предварительно использовал силуэтные дощатые макеты памятников.

В торжественно-строгом характере решен и интерьер здания. Сочетание монументальности с легкостью и изяществом в разработке архитектурного образа является одним из основных творческих принципов Воронихина. В Казанском соборе этот принцип ярко проявляется и в декоративно-художественном убранстве, в общей разработке которого автор исходил из характера здания, его плана, объемов.

В традиционных зданиях православного культа основной предпосылкой пространственных решений являлась задача отрешенности внутренних помещений от внешнего мира. Нужно было создать такую обстановку, чтобы ничто не отвлекало внимания от богослужения, обряда. Отсюда небольшое количество часто узких окон и, как следствие, широкие плоскости стен, массивные столбы, поддерживающие купола и прочее.

Увлеченный задачей создания архитектурного ансамбля, Воронихин смело отошел от традиционных принципов церковного строительства, создал здание светского типа, художественный образ которого несет в себе жизнеутверждающие гражданские идеалы.

Длина собора внутри с запада на восток составляет 72,5 метра, с севера на юг-56,7 метра. Высота с куполом-71,6 метра, пролет купола 17,1 метра. Купол имеет два свода: нижний, прорезанный круглым отверстием, и верхний, первоначально покрытый росписью ("Коронование богоматери" В. К. Шебуева), а впоследствии выкрашенный в синий цвет.

В плане собор имеет форму вытянутого креста, что и определило пространственные решения интерьера. Главной является его подкупольная часть. Она оказалась несколько сдвинутой к востоку, примыкает непосредственно к центральному алтарному помещению и ограничена с четырех углов пилонами, поддерживающими купол. От пилонов во все стороны - на запад, восток, север и юг-отходят двухрядные колоннады красного полированного гранита; их высота, с базами и капителями,-10,7 метра. Базы покрыты листовой бронзой, капители - бронзовые (Отлиты по модели скульптора С. С. Пименова). Они были позолочены, но, так как в поспешности, с которой заканчивалось строительство собора, для золочения не был подготовлен качественный грунт, позолота давно сошла, и капители приняли темный цвет.

Вследствие того, что в алтарных помещениях пол приподнят, колонны видоизменены. В нарушение стилевых принципов коринфского ордера они установлены на пол без баз и высота их сокращена.

Колоннады одновременно являются основным компонентом декоративно-художественного оформления помещений и несут конструктивную функцию - поддерживают своды. Их спокойный ритм вносит мотив торжественности и покоя. Широко расставленные колонны (всего их в интерьере 56) членят пространство, но не изолируют части одну от другой. Значение колоннад в архитектурном облике интерьера отчетливо выделяется в его западной части. Это самое большое помещение собора, предназначенное для верующих. Двумя колоннадами оно разделено на три удлиненных нефа. Средний неф в четыре раза шире боковых и перекрыт цилиндрическим сводом, который покоится на колоннадах. Свод украшен восьмиугольными кессонами, в которых закреплены металлические, покрытые росписью розетки в виде стилизованного цветка. Перекрытия боковых нефов плоские кессонированные, они значительно ниже центрального. Такое же членение пространства имеет место в алтаре и в приделах, и так же устроены перекрытия. Так подчеркивается преимущество центральных частей, "скрывается" ширина помещений.

Зодчий удачно решил переход от сводов к куполу. С четырех сторон "срезы" сводов как полуовальные арки подступают к подкупольной части, и кажется, барабан купола стоит на этих арках, слегка касаясь их краем основания. Так достигается связь основных пространств интерьера и как бы расширяется центральная подкупольная часть. Вместе с тем здесь в центре создается гамма из круга и полукружий, удивительно легкая, изысканная, свидетельствующая о тонком художественном вкусе зодчего.

Для интерьера характерны идеальные пропорции архитектурных компонентов: гениально разработаны высота и объемы колони и глубина сводов, длина и ширина частей "креста", размеры оконных проемов и т. д. Об окнах стоит сказать особо, ибо они огромны и расположены в два яруса, между ними лишь небольшие простенки, прикрытые пилястрами искусственного гранита с алебастровыми золочеными капителями. Обилие окон придает интерьеру легкость, воздушность и связывает его с окружающим внешним пространством. Здание наполнено светом, который, отражаясь в полированном граните колонн и падая на полированный мраморный пол, мягко рассеивается и устремляется ввысь, в купол. Все это придает интерьеру характер дворцовой залы, сдержанно-пышной, величественной и строгой.