Главнейшей святыней этого славного храма Мирликийского Святителя является частица мощей Угодника в маленьком хрустальном (в серебряной вызолоченной оправе) медальоне вместе с частицей мощей св. мученика Александра (I в.). Святые мощи пожертвованы в собор государыней императрицей Александрой Феодоровной в 1847 году 5 декабря. Подлинность их удостоверяется бывшей при них, теперь хранящейся в С. – Петербургской консистории, Латинской грамотой – свидетельством начальника Римской сокровищницы – sacrarii, Иосифа, еп… Порфирского: testamur nos… dono dedisse particulas, caesas ex ossibus s. s. Alexandri m. et Nicolai ep. Mur. Ex aut-enticis monumentis anulsas… – говорит грамота. Кроме того, над каждой частичкой есть латинская надпись на самом медальоне. В 1851 году неизвестный жертвователь соорудил для святых мощей сребро-позлащенную ризу (стоимостью 406 руб.) для ковчега их, и в этом-то ковчеге на аналое они всегда открыты для чествования православных. Перед мощами находятся: подсвечник серебряный с двумя хрустальными лампадками – приношение Святителю (в 1851 году 9 мая) великого князя Константина Николаевича с супругой Александрой Иосифовной за дарование первенца, и вызолоченная серебряная лампадка, на четырех цепях, утвержденных в короне – дар великого князя Николая Михайловича и супруги его Ольги Феодоровны (14 апреля 1859 г.) также в благодарность за дарование им сына.
В этом же соборе кроме того чествуется православными, как особая святыня – храмовая икона Святителя с деяниями его. Усердие богомольцев, притекающих к ней с молитвами Чудотворцу, очевидно уже из ее богатого украшения. Роскошная сребро-злащенная риза ее унизана множеством драгоценных камней – изумрудов (один —12 каратов), бриллиантов, алмазов, топазов, аметистов, аквамаринов и др., пожертвованных в разное время разными лицами, и стоит вся до 1000 рублей. Изображение Святителя также привлекает к себе внимание знатоков-археологов. Чисто греческого письма, сделанное яичными красками, на доске, оно, по их свидетельству, имеет за собой если не самую глубокую, то не менее чем 250-летнюю давность. Мы, впрочем, судить об этом можем уже из того, что драгоценная риза на нее (не считая камней) сделана еще в 40-х годах XVIII столетия, а в нынешний собор она перенесена еще из прежней деревянной церкви. «Помещается этот чествуемый образ в особом резном вызолоченном киоте, подле левого клироса, на западной стороне столба, поддерживающего храмовой свод, на значительном возвышении, с лестничкой к нему».
Замечателен своей исторической судьбой другой образ Святителя в этом храме, небольшого размера и в сребро-злащенной ризе. В 1813 году он был вывезен из Москвы французами и в 1835 году достался одному прусскому подданному, курляндскому уроженцу, золотых дел мастеру – Борнегофу. В том же 1835 году он поднес его императору Николаю I, а государем, по просьбе прихожан собора, образ дарован этому храму.