Храм Христа Спасителя строился почти 44 года. В 1841 году стены были выровнены с поверхностью цоколя; в 1846 году - сведен свод большого купола; три года спустя завершены работы по внешней облицовке и начата установка металлических крыш и глав. Свод большого купола закончен в 1849 году. В 1860 году наружные леса были разобраны, и Храм Христа Спасителя впервые предстал перед москвичам в своем величии. В 1862 году на крыше установили бронзовую балюстраду, отсутствовавшую в первоначальном проекте. К 1881 году были закончены работы по устройству набережной и площади перед Храмом, а также установлены наружные фонари. К этому времени подошли к концу работы по внутренней росписи Храма.

Работы по возведению Храма Христа Спасителя осуществлялись по повелениям Императоров Александра I, Николая I, Александра II, Александра III, по благословению ныне причисленного к лику Святых постоянного члена Святейшего Синода Митрополита Московского и Коломенского Филарета (Дроздова) и епископа Дмитровского Леонида (Краснопевкова); непосредственное руководство работами было поручено Генерал-Губернатору Москвы князю Д.В. Голицыну и возглавляемой им Комиссии по построению Храма.

Над созданием Храма по проекту К.А. Тона трудились лучшие архитекторы, строители и художники того времени. Уникальная роспись создавалась художниками Российской Академии Художеств В. Суриковым, бароном Т. Неффом, Н. Кошелевым, Г. Семирадским, И. Крамским, В.П. Верещагиным, П. Плешановым, В. Марковым. Авторами фасадных скульптур стали барон П. Клодт, Н. Рамазанов, А. Логановский. Врата Храма были исполнены по моделям графа Ф. Толстого.

Скульптурное и живописное убранство Храма Христа Спасителя представляло собой редкое единство, выражающее все милости Господни, ниспосланные по молитвам праведников на русское царство в течение девяти веков, а также те пути и средства, которые Господь избрал для спасения людей, начиная от сотворения мира и грехопадения до искупления рода человеческого Спасителем. Поэтому на всех стенах Храма были помещены фигуры святых заступников и молитвенников за Русскую землю, тех отечественных деятелей, кто потрудился для утверждения и распространения веры православной, а также князей русских, положивших свои жизни за свободу и целостность России. Храм являлся живой летописью борьбы русского народа с завоевателем Наполеоном, и имена доблестных героев, через которых Бог явил спасение народу русскому, были начертаны на мраморных досках расположенных в нижней галерее Храма.

Храм Христа Спасителя был создан всей Россией и стал зримым воплощением ее Славы, ее Веры и Величия, свидетелем многих исторических событий. 

13 декабря 1880 года новому Храму присвоено наименование Кафедрального во имя Христа Спасителя Собора, утвержден штат духовенства и причта.

26 мая 1883 года, в День Вознесения Господня, состоялось Торжественное освящение Храма,   совпавшее с Днем Священного коронования на Всероссийский Престол Императора Александра III. 12 июня того же года совершилось освящение придела во имя св. Николая Чудотворца , а 8 июля был освящен и второй придел Храма - во имя св. Александра Невского . С этого времени в Храме начались регулярные Богослужения.

С 1901 года в Храме был учрежден собственный хор , считавшийся одним из лучших в Москве. Он насчитывал 52 человека, а среди регентов соборного хора выделялись знаменитые композиторы А.А. Архангельский и П.Г. Чесноков. Звучали в Храме и произведения их современника, также крупного церковного композитора А.Д. Кастальского. В Храме звучали голоса Ф.И. Шаляпина и К.В. Розова .

Весной 1912 года в сквере возле Храма установили памятник Императору Александру III - произведение профессора архитектуры А.Н. Померанцева и скульптора А.М. Опекушина (памятник просуществовал всего шесть лет и был разрушен в 1918 году).