Еще в процессе проектирования А.Н. Воронихин столкнулся с, казалось бы, неразрешимой задачей. Участок застройки с одной стороны примыкал к Екатерининскому каналу, с другой - к Большой Мещанской улице (ныне Казанская). По канонам христианской церкви алтарная часть собора должна быть обращена на восток, в данном случае в сторону канала. При этом здание требовалось развернуть по отношению к главной магистрали города боковым северным фасадом. Не нарушая церковных канонов, Воронихин нашел наилучшее решение: перед северным фасадом, вровень с его высотой, он предложил возвести грандиозную колоннаду, закрывавшую основной, сравнительно небольшой объем собора, имевшего в плане латинский крест. На средокрестии зодчий поместил купол на барабане, воспринимаемый со стороны Невского проспекта как логическое завершение колоннады. Организовав полуциркульную площадь перед Невским, Воронихин блестяще решил важную градостроительную задачу: закрепив концы колоннады монументальными портиками, он оформил, таким образом, проезды вдоль канала и Большой Мещанской улицы, в сторону которой обращен западный фасад.

Воронихин предложил возвести такую же полуциркульную колоннаду и с противоположной - южной - стороны, а концы обеих со стороны западного фасада соединить прямыми колоннадами с портиком, отмечающим главный вход в собор, выделив главный фасад. Перед ним зодчий спроектировал вторую полуциркульную площадь, ограничив ее чугунной оградой. К сожалению, только эта ограда и была воздвигнута. А в случае осуществления замысла Воронихина в полном его объеме ансамбль Казанского собора включил бы целую систему площадей, еще более тесно связав здание с окружающим пространством. Однако и в существующем виде собор, бесспорно, является самым выдающимся и главным памятником архитектуры в ансамбле Невского проспекта.

При создании Казанского собора Воронихин должен был решать не только архитектурные и конструктивные вопросы, но также проблемы заготовки и транспортировки монолитов гранитных колонн. С этой целью он спроектировал специальные деревянные конструкции на трех, связанных между собой, баржах, что обеспечивало их надежную устойчивость даже при длительной транспортировке гранитных заготовок водным путем. Предварительные расчеты несущих способностей конструкций также производились самим архитектором. Уникальные рабочие чертежи случайно сохранились, в частности чертеж гранитной колонны, содержащий расчет ее веса, датированный и подписанный Воронихиным. Одновременно Воронихин разрабатывал проект фундамента, в наиболее ответственных местах которого предполагалась укладка гранитного камня.

В процессе строительства Казанского собора Воронихину приходилось проектировать временные постройки для обеспечения непрерывного производства работ. Вдоль Малой Конюшенной улицы, ближе к Невскому проспекту, он спроектировал "мастерские избы" для жительства работных людей, приезжавших в Петербург из разных российских губерний.

Начатый в 1801 г. Казанский собор был выстроен в течение десяти лет. При его создании Воронихин проявил себя не только талантливым организатором строительных работ, но и передовым инженером-изобретателем. Сконструированный им наружный купол собора диаметром около восемнадцати метров представлял собой пространственную металлическую конструкцию, выполненную из кованого железа. Это была первая подобная конструкция в отечественной практике.

1 января 1811 г. создатель Казанского собора был награжден орденом Святого Владимира 4-й степени, дававшим право на потомственное дворянство, а 26 сентября того же года по освящении собора "пожалован кавалером ордена Святой Анны 2 класса, украшенным бриллиантами, а также пенсиею".

В период Отечественной войны 1812 г. в собор были доставлены почетные трофеи: вражеские знамена и ключи от неприятельских городов и крепостей, жезл наполеоновского маршала Даву. В связи с этим в 1814 г. заказали двадцать девять вызолоченных бронзовых досок, в том числе одну большую, "под маршальский жезл". Годом раньше в северном приделе был погребен прах Михаила Илларионовича Кутузова. Решетку, ограждающую могильную плиту, выполнили по рисунку Воронихина.

Значение Казанского собора как памятника русской воинской славы еще более возросло, когда в 1830х гг. перед боковыми портиками наружной колоннады были установлены памятники М. И. Кутузову и М. Б. Барклаю де Толли по проектам архитектора В. П. Стасова и скульптора Б. И. Орловского.