Особый интерес представляет художественное убранство алтарей, сочетающее живопись, мозаику и скульптуру. Иконостас главного алтаря, облицованный белым мрамором, украшен десятью малахитовыми и двумя лазуритовыми колоннами. Иконы первого и второго ярусов — мозаичные, третьего — живописные. Иконы первого яруса, выполненные по оригиналам Т. А. Неффа, изображают святых, соименных царям, при которых строились все четыре церкви в честь св. Исаакия Далматского. Мозаики второго яруса набраны по оригиналам Ф. П. Брюллова и посвящены святым, соименным членам царской семьи. Живописные иконы третьего яруса работы С. А. Живаго изображают ветхозаветных пророков. Над алтарными вратами находится скульптурная группа «Христос во славе», выполненная П. К. Клодтом, над ней - мозаичная картина «Тайная вечеря».
В глубине, в полумраке главного алтаря, - витраж, изображающий воскресшего Христа. Боковые арки, прорезая главный иконостас, открывают малые алтари, выполненные из белого итальянского мрамора, украшенные филенками из малахита и других цветных камней.
Их венчают скульптурные группы «Воскресение» в, алтаре св. Екатерины и «Преображение» - в алтаре св. Александра Невского, выполненные Н. С. Пименовым. Скульптурные группы прекрасно согласуются с архитектурными формами приделов, удачно дополняют и завершают их, способствуя созданию ощущения легкости и устремленности вверх.
Скульптура «Воскресение», венчающая иконостас алтаря св. Екатерины, состоит из пяти фигур. Логический и композиционный центр ее — фигура Христа, выдержанная в духе классицизма. В скульптурном изображении ангелов ощутимо барочное начало, повлиявшее и на создание фигур римских воинов, расположенных ярусом ниже.
Композиция Н. С. Пименова в алтаре св. Александра Невского носит остро эмоциональный характер. Именно за работы в соборе он получил в 1854 году звание профессора и был впоследствии приглашен преподавать в Академию художеств.
В целом оформление алтаря и придела св. Екатерины, как и придела св. Александра Невского, отличается красочностью, богатством материалов и совершенством исполнения. Малые алтари перекрыты небольшими куполами, не выраженными во внешнем облике здания.