Реставратор С. Ф. Коненков рассказывал, что Н. В. Перцев предложил произвести укрепление красочного слоя составом из пчелиного воска, скипидара и канифоли. Приготовленную массу раскатывали в листы и накладывали на поверхность картины. Сверху проглаживали нагретым утюгом, в результате чего укрепляющий материал должен был проникать в отверстия и трещины. Однако этот Эксперимент не давал нужного результата. Приготовленные листы прилипали к горячему утюгу, и холодная стена получала недостаточно воска.
Продолжив поиск, реставраторы нашли более рациональный способ укрепления росписей составом, приготовив его жидким. В виде эксперимента его начали разбрызгивать пульверизатором. Обнаружилось, что после испарения разбавителя состав прекрасно впитывается в стену и можно работать, не касаясь поверхности картины. Живопись избавилась от излишнего вредного механического раздражителя. Жидкость растворяла копоть, покрывавшую росписи, и способствовала их консервации.
После того как поверхность росписи просыхала, ее проглаживали утюгами и укрепляли красочный слой. Затем очищали ее от загрязнения. Утраты восполнялись методом тонирования при помощи масляных красок. В случаях, когда имелись повреждения штукатурки, на роспись натягивали железную сетку, удерживавшую падающие куски. Применение таких методов позволило увеличить объем работ, и консервация росписей общей площадью в полтора гектара была проведена за три года.
Первоначально консервации подверглась живопись аттика главного алтаря, приделов св. Екатерины и Александра Невского.
С 1954 по 1958 год были полностью отреставрированы произведения Ф. А. Бруни в центральном нефе и главном алтаре, росписи П. В. Васина в приделах св. Екатерины, Александра Невского и ряд картин аттика.
В 1959 - 1963 годах восстанавливается живопись западной части собора, а также плафон и росписи барабана главного купола.
Осенью 1954 года в Исаакиевский собор прибыла новая бригада реставраторов, в которую входили Я. А. Казаков, В. И. Журавлев, В. Г. Корбан, Ю. Ф. Щитов, В. Ю. Воронин, Б. Н. Лебедев, И. О. Алексеев, П. М. Синяков, Т. А. Гиппиус и другие.
Прежде всего требовалось укрепить ослабленный штукатурный слой, на котором нанесена живопись. Совместно с сотрудниками Ленинградского инженерно-строительного института, в течение ряда лет изучавшими различные цементирующие составы, было установлено, что наиболее соответствующим материалом является негашеная известь-кипелка.
Для получения данных о состоянии росписей реставраторы провели обследование штукатурного слоя методом простукивания и составили схемы разрушений. Затем в опасных местах проделали «окна», выпилив куски штукатурки, а образовавшуюся между штукатуркой и кирпичной кладкой полость залили негашеной известью и заполнили древесным углем, паклен и битым кирпичом. Известковый раствор, затвердевая, крепко связывал штукатурку со стеной здания собора.
Следующим этапом работ была расчистка росписей и их реставрация. Крупные утраты красочного слоя восполнялись путем лессировок, подмалевок, а утраченные фрагменты живописи воссоздавались по эскизам и картонам, хранящимся в Государственном Русском музее и в Академии художеств. Для более глубокого и подробного изучения авторской манеры художников, работавших в соборе, реставраторам пришлось делать множество копий;
В некоторых случаях изучение индивидуального живописного почерка было вызвано и более сложными причинами. Реставрация росписи Ф. А. Бруни в аттике западной части собора «Сотворение мира» еще в 1881 - 1882 годах была поручена реставратору Академии художеств П. К. Соколову. Картину предполагалось разделить на три части и, сняв со стены штукатурку вместе с живописью, перевести живописный слой на холст. Соколов успел снять со стены и перевести на холст фрагмент с изображениями Адама и Евы, составлявший примерно третью часть всей композиции. Готовый фрагмент натянули на подрамник и вмонтировали в картину, но во время Великой Отечественной войны он был утрачен, а при консервации это место затонировали.
В период реставрации росписи в 1958 - 1959 годах начались поиски утерянного фрагмента. Попытки найти фотографию, эскиз или подготовительный рисунок также оказались безрезультатны. Было решено восстановить фрагмент по «аналогии», используя в качестве образцов рисунки и картоны Бруни в работах, близких по сюжету к росписи «Сотворение мира». Под руководством Я. А. Казакова художники-реставраторы подготовили несколько вариантов изображений Адама и Евы, близких по решению к работам Бруни. Один из этих вариантов был принят, и в 1959 году художник В. Г. Корбан заново написал Адама и Еву.