Уже после присоединения Грузии к России, в 30-е гг. XIX в., на Кавказ прибудет император Николай I. К его царственному визиту в храме проводится скоропалительный ремонт, во время которого сносятся обветшавшие боковые арочные галереи, во многом изменив внешний облик храма, а также забеливаются остатки древних фресок на внутренних стенах храма.
В XIX в. поновляются многие храмовые росписи. Так, величественная фигура сидящего на троне Христа и архангелов в апсиде переписываются. по старому контуру росписи XI в. Только по ней одной можно уже представить грандиозный масштаб первоначальной фресковой живописи. Отреставрированные сохранившиеся фрагменты росписей в интерьерах собора выполнены в основном в XVI–XVII вв. На южной стене сохранилась даже греческая надпись, подтверждающая, что композиция на текст псалма «Всякое дыхание да славит Господа» исполнена в XVII в. На юго-восточном подкупольном устое сохранилась фреска царицы Мариам с сыном, восстановившей обрушившийся купол храма в 1656 г. Росписи XVII в., многие эпизоды которых повествуют о принятии христианства Грузией, проводились под руководством художника Григория Гулджаварасашвили. Цикл этих композиций, построенных на традициях грузинской школы, вызывает особый интерес. Перед нами предстает первый христианский царь Мириан перед храмом «Свети-Цховели», царица Нана со свитой, вознесение Живоносного Столпа, иудей Элиос со священным хитоном в руках и другие исторические эпизоды.
Невысокая алтарная преграда с глухим парапетом из резных плит реконструирована и установлена в 1972 г. вместо многоярусного резного иконостаса XIX в., во многом искажавшего привычное оформление интерьеров в древнегрузинском храмовом зодчестве.
Сегодня в целом храм сохраняет первоначальную торжественно-величавую архитектуру XI в. В центральной части храма экспонируются сохранившиеся фрагменты первой христианской церкви. Под большой аркой возвышается двухъярусное сооружение XVII в., украшенное росписями, где сохраняются святые остатки Живоносного Столпа.
У алтарной преграды в храме нашли упокоение многие грузинские цари, в том числе и последние из династии Багратионов — Ираклий II и Георгий XII. Мцхетский кафедральный собор исстари стал и усыпальницей грузинских католикосов. Согласно утвердившейся традиции Грузинской православной церкви, интронизация католикосов совершается именно в соборе «Свети — Цховели». Как в главном храме Грузии, здесь всегда происходило коронование и венчание грузинских царей.
Мцхетский храм стал одним из самых прославленных и почитаемых храмов Грузии. И сохранение, согласно грузинской традиции, одной из главнейших христианских святынь — хитона Господня — под его сводами стало в чем-то даже национальной идеей. Следует сказать и еще об одном известном историческом факте, на который часто ссылаются скептики этой идеи. При захвате Грузии персидским шахом Аббасом I им была изъята из сокровищницы собора Риза Господня (верхняя одежда, в отличие от хитона), также хранившаяся здесь многие века. Святыня была преподнесена им в 1625 г. русскому царю Михаилу Федоровичу, позднее пропавшая при большевиках.