Главный престол храма был посвящен Рождеству Христову, приделы на хорах — Николаю Чудотворцу и Александру Невскому. Посвящение главного престола соответствовало дню обнародования императорского манифеста о построении храма, которое последовало сразу же после выдворения из России последних остатков наполеоновской армии. Посвящения приделов соответствовали небесным покровителям императоров, при которых храм строился, — трех Александров и Николая I. Наружные стены храма украшали 48 горельефов на библейские и исторические сюжеты работы А.В. Логановс- кого. Подавляющее их большинство было варварски уничтожено при сносе храма, спасенные можно увидеть в Донском монастыре. В создании скульптурного убранства храма участвовали также П.К. Клодт, Н.А. Рамазанов и другие скульпторы. Бронзовые двери храма украшали 52 фигуры библейских персонажей и святых.

Рельефы западной стены собора иллюстрировали тему его уподобления Иерусалимскому храму, продолжая традицию, заложенную еще при основании витберговского храма Христа Спасителя. Справа от портала находилось изображение ветхозаветного царя Давида, передающего Соломону чертежи храма. Тем самым, по мнению современного исследователя Е.И. Кириченко, строительство московского собора уподоблялось одному из важнейших событий ветхозаветной истории: «Александр I, подобно Давиду, дает обет соорудить Храм, но исполняет обет, подобно Соломону, его преемник Николай I».

Росписи собора, среди которых привлекало внимание огромное изображение Господа Саваофа на своде главного купола работы профессора А.Т. Маркова, создавались целым коллективом художников. Наиболее известные из них — Суриков, В. Васнецов, Семирадский, Маковский, В Верещагин, Бруни, Прянишников, Крамской, Нефф. Молодой Суриков ради возможности принять участие в росписи храма отказался от двухлетней поездки за казенный счет за границу, которая полагалась ему как окончившему Академию художеств с золотой медалью. Художник А. Иванов мечтал, чтобы его знаменитая картина «Явление Христа народу» обрела свое место на западной стене храма Христа Спасителя, напротив алтаря.

Общая идея росписей храма принадлежала императору Николаю I, который выразил пожелание, чтобы она «напоминала о всех милостях Господних, ниспосланных, по молитвам праведников, на Русское Царство в течение десяти веков».