Неожиданность подстерегала художников и при реставрации росписи Бруни «Пророк Иезекииль». На этот раз реставраторы обнаружили, что голова главного персонажа - Иезекииля - не подлинная. Еще в XIX веке штукатурный слой, на котором располагается роспись, стал под влиянием колебаний температуры и влажности отставать от кладки. Произвели реставрацию, и многие детали, в том числе голову пророка, вырезали вместе со штукатуркой, заменив другими. Кусок с изображением головы Иезекииля остался у реставратора С. Егорнова, а роспись он дополнил новым фрагментом, мало напоминающим оригинал Бруни. В этом легко было убедиться, сравнив живопись с подготовительными картонами Бруни, хранящимися в Русском музее. Там же обнаружили и оригинал росписи. Художник А. Н. Ступин тщательно скопировал и воспроизвел ее на своде.
Стремление выявить и утвердить авторскую манеру было характерно для работы над всеми живописными произведениями собора. В процессе реставрации, например, росписи центральной части сводов «Страшный суд» огромное значение имело использование подготовительных картонов Бруни, так как фоны наполовину были утрачены, а от потемневшего лака и загрязнений контуры фигур были почти неразличимы.
Большая работа была проделана при реставрации росписей барабана купола, изображающих апостолов. Некоторые из них оказались утраченными, и художники воссоздавали эти произведения, пользуясь небольшими эскизами К. П. Брюллова.
Реставрационные работы внутри собора.
Одновременно велась реставрация мозаик, которые благодаря специфическим свойствам этого вида искусства пострадали значительно меньше, чем живопись. Мозаики очистили от копоти, пыли, потеков, промыли, проштуковали открытые швы воском, а потускневшие участки отполировали войлоком и фетром.
Сложнее были работы по ремонту мозаик в парусах подкупольного барабана, находившихся в крайне аварийном состоянии. Еще в 1914 - 1917 годах, когда производилась замена живописи парусов мозаичными копиями, мозаика юго-восточного пилона (евангелист Матвей) была прибетонирована к массиву кладки, но монтажные швы поставили на временной мастике.
Мозаика северо-западного пилона (евангелист Иоанн) была установлена, но не прибетонирована, а швы вообще не были закрыты. Это привело к тому, что все металлические части мозаики северо-западного пилона покрылись коррозией, а временный набор на мозаике юго-восточного пилона начал осыпаться.
Приступив к работе, реставраторы с помощью металлических щеток и особых скребков удалили ржавчину с металлических конструкций и приступили к бетонированию пустот между мозаикой и кирпичной кладкой. Всего было уложено 9 квадратных метров бетона и израсходовано до 5 тонн портландского цемента.
К концу 1947 года установка и закрепление мозаики северо-западного пилона, проводившиеся под руководством инженера Жуковского, были завершены. Комиссия, принимая работу, отметила ее высокое качество.
В 1949 году окончилась реставрация мозаики и юго-восточного пилона. К началу работ временный грунт, на котором была набрана смальта, под влиянием времени уже настолько ослаб и размягчился, что кусочки его выпадали от прикосновения руки. Временный грунт был заменен постоянным на цементе, а швы тщательно заделаны.
Последствия военных лет тяжело сказались и на состоянии витража: из двадцати одной рамы в тринадцати были разбиты стекла, и их пришлось создавать заново. В уцелевшей части витража следовало заменить и укрепить большое количество треснувших стекол. Эта работа была проделана под руководством преподавателя кафедры стекла и керамики Ленинградского высшего художественно-промышленного училища имени В. И. Мухиной художницы Е. В. Поповоич Реставрации предшествовала научно-исследовательская и экспериментальная работа по определению состава и подбору цвета стекла, режима его обжига. В реставрации витража приняли участие художники, мастера, технологи и инженеры, научные сотрудники ряда ленинградских институтов.
Главное затруднение в восстановительных работах состояло в отсутствии исторических справок по композиции, технике и технологии изготовления витража Исаакиевского собора. Реставраторам в работе пришлось руководствоваться сохранившимися частями цветных расписных стекол с калькой и подписным рисунком Монферрана. При изучении оставшихся частей витража и сравнении их с калькой Монферрана было обнаружено некоторое расхождение в композиционном решении фигуры Христа: изображение на витраже получилось более удлиненным. Это объясняется тем, что мастера, исполнявшие витраж, учли большой размер высоко находящегося окна, а также протяженность расстояния, с которого витраж должен просматриваться.