Първоначалният проект е дело на руския архитект Богомолов, а окончателният – на арх. А. Померанцев. Новият проект се различава от предходния не само мащабно, но и като архитектурна концепция. Померанцев претворява творчески идеите на византийското изкуство, без да го повтаря буквално. Вътрешното пространство е единно, но създава илюзията, че е разделено на четири етажа. Детайлите на фасадата и многобройните арки и фризове са украсени с каменна пластика като дантела. Те са проектирани с елементи от плетеници, старобългарски мотиви и пр. Изключение правят само дървените входни врати. Отвън се влиза през 11 врати, три от които са обединени в главния вход и водят към притвора. Общата кубатура на сградата е ок. 86 000 куб. м, а застроената площ – 3170 кв. м.

По своя размер и украса, по своята архитектура и монументалност днес храм-паметникът “Св. Александър Невски” съперничи на най-известните паметници от този вид в целия свят. Гледан отвън, дължината на храма е 72 м, а ширината – 55 м. Височината му е 50,52 м, а покривният мостик – 28 м. Над главния сводест вход с три врати се издига камбанарията, която завършва с купол. Той е опрян на три колони, между които има широки отвори и през тях се виждат 12-те камбани. Общата им тежест е ок. 25 тона. Най-голямата тежи 11 758 кг, езикът й – 374 кг, диаметърът й е 2,70 м, а височината – 2,80 м, втората е 6002 кг, а най-малката – 10 кг. При хубаво и топло време звънът на голямата камбана се чува на около 30 км от София. Най-големите камбани са украсени с релефни изображения и икони на Господ Иисус Христос, св. Богородица, св. Александър Невски, св. София, св. Кирил и Методий, както и възпоменателни надписи, изпълнени със старобългарска плетеница. На западната фасада по камбанарията е поставена мозаична икона на св. Александър Невски, дело на българския художник Антон Митов.

Царският трон е изработен на площ от 13,5 кв. м, като подът е от зелен мрамор, издигнат на 3 стъпала. От двете страни на стълбището са скулптирани лъвове, като повторение на лъвската фигура от амвона. В арката над трите трона е монтиран мозаичен портрет по проект на А. Митов. На него цар Фердинанд и царица Елеонора са в цял ръст, облечени в церемониални одежди и държащи макет на храма. Солеят е издигнат над пода на храма и е отделен с нисък, богато орнаментиран парапет от бял мрамор с изображения на християнски символи.

Архиерейският трон се намира между главния иконостас и царския трон, върху квадрат от зелен мрамор. Тронът е увенчан с четиристранен пирамидален балдахин от бял алабастър.