Значительную роль в убранстве интерьера собора играет декоративная скульптура. Пластическое убранство выполнено на сюжеты христианской мифологии. Его составляют скульптурные изображения апостолов, пророков, ангелов, расположенные на сводах и в барабане купола, барельефы внутренних дверей и декоративно-орнаментального оформления сводов и иконостасов. В восточной части собора изображены атрибуты православной церкви.
Основные скульптурные работы исполнены из золоченого металла — бронзы или меди. Значительная часть их выполнена под руководством академика Б. С. Якоби. Видное место во внутреннем оформлении здания занимают работы И. П. Витали. Оформление сводов выполнялось скульптором в 1845–1850 годах при активном участии Р. К. Залемана и В. В. Беляева, а орнаменты под его руководством сделаны лепщикомИ. П. Дылевым и отливались на заводе герцога Лейхтенбергского гальванопластическим способом мастером М. Дювалем.
Образцом синтеза скульптуры, архитектуры и живописи явлюется барабан главного купола, выполненный основном в стиле эпохи Возрождения. Витали с учениками работал над его скульптурой по проекту Монферрана. Барабан украшен росписями с изображениями апостолов, между которыми установлены статуи ангелов. Композиционно эти скульптуры являются основанием пилястр. Художественное решение подчеркивает легкость и цельность архитектурной композиции купола Хорошо освещенные большими окнами позолоченные фигуры неизменно привлекают внимание посетителей своим декоративным эффектом.
Высокие скульптуры ангелов, выступая из стены, создают вместе с пилястрами четкое членение барабана. На сводах — библейские и евангельские персонажи. Фигуры пророков в западной части и ангелов в восточной представлены в сложных динамических позах. Их пропорции сознательно искажены с учетомвосприятия снизу. Неглубокие ниши, в которых находится скульптура, кажутся тесными, усиливая впечатление динамичности. В их трактовке чувствуется влияние итальянского барокко XVIII века.