Собор в плані мав форму витягнутого прямокутника, а за зовнішнім виглядом нагадував Петропавлівський собор: схожа дзвіниці з годинником-курантами, привезеними Петром I з Амстердама разом з годинником для Петропавлівського собору, робила схожість особливо помітним. Внутрішнє оздоблення також нагадувало Петропавлівський собор: різьблений золочений іконостас був виконаний І.П. Зарудним.
У 1735 р удар блискавки спричинив пожежу в соборі, крім того, фундамент храму постійно відволожуються від невських вод - адже набережну стали облицьовувати гранітом тільки з 1762 року і русло Неви було ближче до вказаного місця на 20 метрів. Для обстеження стану собору Сенат направив архітектора С.І. Чевакінского, який констатував неможливість збереження будівлі. Було винесено рішення: собор розібрати і побудувати новий, далі від Неви.
У 1769 році почалося будівництво третього Ісааківеского храму на тому місці, де зараз стоїть Ісаакіївський собор.
За проектом А. Рінальді собор повинен був мати п'ять складних по малюнку куполів і високу дзвіницю. Стіни по всій поверхні облицьовувались мармуром. Однак будівля була доведена лише до карниза. Після смерті Катерини II (1796) будівництво зупинилося, і Рінальді виїхав за кордон.
Імператор Павло I доручив архітектору В. Бренна завершити тривале будівництво собору в найкоротші терміни. Архітектор спростив проект Рінальді: зменшив розміри верхньої частини будівлі і головного купола, відмовився від зведення чотирьох малих куполів. Мармур для облицювання верхній частині собору був переданий на будівництво Михайлівського замку.
Третій собор був освячений вже за часів імператора Олександра I - 30 травень 1802 року. Але вже в 1809 році в зв'язку з тим, що собор не відповідав столичному вигляду - будівля вийшло приосадкувате, мармурові стіни були надбудовані цеглою і виглядали дивно - був відкритий конкурс на новий варіант собору. На думку Олександра I необхідно було не будівництво нового, а перебудова вже побудованого собору: умовою було збереження трьох освячених вівтарів існуючого собору. Але жоден з представлених проектів не задовольняв вимогам. У 1816 році Олександр I доручає інженеру А. Бетанкур, голові "Комітету у справах будівель і гідравлічних робіт", зайнятися підготовкою проекту перебудови Ісаакіївського собору. Бетанкур запропонував доручити проект молодому архітекторові О. Монферрану, недавно приїхав з Франції в 1816 р Щоб показати свою майстерність, Монферран зробив 24 малюнка будівель різних архітектурних стилів, які Бетанкур і представив Олександру I. Імператор підписав указ про призначення Монферрана "імператорським архітектором". За проектом Монферрана розбиранні підлягали дзвіниця, вівтарні виступи і західна стіна рінальдіевского собору, а південна і північна стіни зберігалися. Собор збільшувався в довжину, а його ширина залишалася колишньою і будівля в плані набуло прямокутну форму. Висота склепінь теж не змінювалася. З північної і південної сторін передбачалося звести колонні портики. Собор повинні були вінчати один великий купол і чотири малих по кутах.
У 1818 році відбулася урочиста закладка сучасного, четвертого Ісаакіївського собору. Проект Монферрана 1818 року перероблявся в 1825 р Будівництво тривало 40 років до 1858 року. Ходить легенда, що якийсь предвідец передбачив смерть Монферрану незабаром після закінчення будівництва Ісаакіївського собору. І дійсно, Огюст Монферран помер через місяць після закінчення будівництва Ісаакіївського собору.
Будівництво собору курирував імператор Микола I.
Під фундамент старий Ісаакіївського собору виривалися глибокі траншеї, з яких викачували вода. Потім в грунт вертикально вбивали просмолені соснові палі діаметром 26 - 28 сантиметрів і завдовжки 6.5 метра. Всього під фундамент було забито 10 762 палі. В цілому спорудження фундаменту зайняло близько п'яти років.
Зведення купола також було вирішено Монферраном незвичайним чином: замість класичних цегляних склепінь, архітектор запропонував власну конструкцію з трьох взаємопов'язаних повнозбірних металевих оболонок, тим самим значно випередивши і попередників, і сучасників. Розрахунки купола виконав інженер П.К. Ломновскій. Виливок металоконструкцій купола проводилася на заводі Чарльза Берда. При цьому було використано 490 тонн заліза, 990 тонн чавуну, 49 тонн міді і 30 тонн бронзи. На позолочених бань Ісаакіївського собору пішло більше 100 кілограмів червоного золота. Незважаючи на всі витрати, спорудження купола по новому проекту дозволило зекономити два мільйони рублів.
У 1858 році будівництво собору було завершено. Висота собору склала 101,5 м, а площа - понад 4 000 м кв. На портиках і Барабані Ісаакіївського собору встановлено 72 монолітні гранітні колони вагою 64 - 114 тонн. Зовнішній діаметр куполу - 25,8 м. На фризі західного портика - скульптурне зображення самого архітектора Монферрана з гордо піднятою головою. Пртікі з деякою натяжкою можна назвати "західним" або "східним" тому що собор не строго орієнтований вівтарем на схід, а скоріше на північний схід.
У 1836 році розпис склепінь собору доручили найбільшому російському художнику Ф.А. Бруні, який створив 25 картонів, на виставці в Римі і Петербурзі отримали високу оцінку відвідувачів. 12 картин на склепіннях і в аттику собору виконав художник і його учні К.Б. Венинг, П.Ф. Плешанов, і Н.С. Ксенофонтов. Найбільша розпис площею понад 800 кв. метрів - плафон великого купола - виконана К. П. Брюллова. На внутрішнє оздоблення собору пішло 400 кг золота, 16 тонн малахіту, 500 кг лазуриту і тисяча тонн бронзи. Було відлито близько 300 статуй і горельєфів, мозаїка зайняла площу 6,5 тисячі кв. метрів.
Ісаакіївський собор став кафедральним собором Російської Православної Церкви до 1922 року.
Після революції в 1928 році Ісаакіївський собор був закритий. З нього було винесено 45 кг золотих виробів, більше 2 тонн срібних прикрас. У 1931 році в стінах собору радянський владою відкритий антирелігійний музей. Через кілька років - історико-художній музей.
З початком Великої Вітчизняної війни купол був зафарбований сірою фарбою. За роки Великої Вітчизняної Війни собор жодного разу не був підданий прямому артобстрілу. За припущеннями військових причина в тому, що німці використовували найвищий купол міста як орієнтир для пристрілки і тому берегли його. Але один снаряд все ж потрапив в західний кут Ісаакіївського собору. В результаті чого постраждали скульптури південного фасаду, було пошкоджено покрівлю, колони і ступені західного фасаду отримали вибоїни. Ця ділянка не поставлять під реставрації і зараз на західному фасаді собору висить табличка з написом "Це слід від одного з 148478 снарядів, випущених фашистами по Ленінграду".
Після війни в 1948 році в будівлі собору відкрили музей "Ісаакіївський собор". У 50-х роках були проведені реставраційні роботи і влаштований оглядовий майданчик на куполі собору. Усередині храму було встановлено маятник Фуко (в даний час демонтовано).
Собор знаходиться у веденні Державного музею-пам'ятника "Ісаакіївський собор".
Богослужіння проводяться по святковим і недільні дні:
Напередодні - всеношна 16.00.
В день свята - Проскомидія 10.00; Исповедь 10.30; Божественна літургія 11.00.