В 1888 были начаты гранитный цоколь и стены, облицованные зигерсдорфским кирпичом десяти тонов. Колонки, карнизики, тяги и наличники делались из эстляндского мрамора. На двадцати темно-красных досках, укрепленных на цоколе, были высечены главные события и указы царствования Александра II.
В 1894 закончилось возведение сводов и парусов, а в следующем году на столичном металлическом заводе изготовлены конструкции глав, пять из которых на фабрике А. М. Постникова покрыли особой разноцветной эмалью.
06.VII.1897 на главном шатре высотой 81 м. был водружен крест.
Еще раньше, в 1895, известная мастерская Фроловых приступила — сперва снаружи, а затем внутри — к мозаичному убранству, которое обошлось в полмиллиона золотых рублей. М. В. Нестеров создал эскизы для Нерукотворного Спаса на западном и Воскресения на северном, Н. А. Кошелев — для Христа во славе на южном, Парланд — для Благословляющего Спаса на восточном фасаде, В. М. Васнецов — для мозаик над входами. В храм вели двери, обитые красной медью с серебряными изображениями святых царствующего дома работы костромского мастера Савельева.
Снаружи, под колокольней, на месте смертельного ранения, возвышается «Распятие с предстоящими» с крестом из мрамора и гранита, перед которым горела неугасимая лампада. По сторонам размещаются иконы святых, празднуемых в день рождения и кончины убитого Императора, а также сделанные по рисункам академика П. А. Черкасова медные гербы губерний и областей России. Под золоченым куполом колокольни была написана в мозаике часть молитвы св. Василия Великого, воплощающая покаянную идею храма.
Мозаика почти сплошь покрывает и внутренность храма, что делает его единственным в мире примером этого искусства в новое время. Мозаичные работы на целых десять лет задержали освящение, которое свершил 19.VIII.1907 митрополит Антоний в высочайшем присутствии. По этому случаю на Монетном дворе была выбита особая медаль.
Все строительство обошлось в 4, 6 млн. руб.
Рисунки для мозаик интерьера выполнили В. В. Беляев, Н. Н. Харламов, А. П. Рябушкин, Н. А. Кошелев, Н. П. Шаховской, А. Н. Новоскольцев и др. В главном нефе представлена, согласно канонам, земная жизнь Спасителя, в западной части — Страсти, Распятие и Воскресение, в восточной — сцены после Воскресения. Все мозаики выполнены на высочайшем уровне и поражают своим художественным единством. Мастерская Дж. Нови в Генуе изготовила из разноцветного мрамора по рисунку Парланда невысокий иконостас, увенчанный тремя крестами из горного хрусталя. Четыре иконы в нем написал Нестеров, местные образа — В. М. Васнецов. Иконы в царских вратах, отчеканенные из серебра на фабрике Хлебникова, исполнила из мозаики по эскизам Н. А. Бруни мастерская Фроловых.Богатейшую утварь поставили фирмы Хлебникова и Фролова, работавшие по рисункам С. Ф. Комарова, в мастерской известного ювелира П. Овчинникова был сделан двухпудовый оклад из серебра с эмалевыми вставками для напрестольного Евангелия. Серебряную дарохранительницу — уменьшенную копию храма, привезли из Костромы, а другую, из яшмы и орлеца, — с гранильной фабрики в Екатеринбурге.