Исследования, проведенные в лабораториях учеными Технологического института имени Ленинградского Совета, показали специфичность стекла, сваренного для изготовления витража, - оно было не только многослойным, но имело и различную толщину.
При тщательном исследовании уцелевших стекол было установлено, что перед росписью одна сторона стекла заматовывалась очень тонкой фактурой, а вторая - легким слоем краски, и выяснено, что обжиг расписанных стекол производился при разных температурах для каждой краски. Опытным путем удалось добиться определения температуры обжига для каждой краски и для каждого стекла. Она колебалась от 500 до 700 градусов.
Обладая этими данными, мастера приступили к восстановлению витража. Они стремились максимально реконструировать процесс создания витражей в XIX веке. В работе встречались определенные трудности: сложным оказалось изготовление цветного стекла, точно подходящего по цвету и светосиле к старому, отличавшемуся сочными тонами и устойчивостью цвета. Его специально заказали стекольным заводам. Заново были изготовлены полосы с фигурным профилем из свинца, при помощи которых отдельные стекла, вырезанные по шаблону, собирались в рамы.
Реставрация витража явилась важной частью работ по восстановлению художественного облика главного алтаря.
Огромные площади мраморной облицовки снаружи и внутри собора делали нерациональным и дорогостоящим проведение этой работы вручную. Реставрация мраморной облицовки интерьера состояла главным образом в удалении переродившегося слоя мрамора и восполнении утрат. В связи с этим мастерские разработали и применили следующий метод: гладкие поверхности обрабатывались механическим путем при помощи специального приспособления, а профилированные детали обрабатывались вручную.
Вначале произвели так называемый грубый обдир, или первую шлифовку. С цветных мраморов снимался слой толщиной до 4 миллиметров, в зависимости от глубины поврежденной поверхности. При последующих шлифовках мрамор смачивался водой, а затем проводилось лощение при помощи воска, придававшее мрамору гладкую матовую поверхность. После этого камень до зеркального блеска полировали фетровыми кругами, а для исправления повреждений в мраморной облицовке делали вставки из однородного мрамора, тщательно подобранного по цвету, тону и рисунку. Гнезда для вставок вырубались вручную, а вставки крепились на медных пиропах. Кроме того, места выпадения заделывались двумя способами: первый, традиционный, заключался в том, что трещины заполнялись цементом с мраморной крошкой соответствующего оттенка, а второй предусматривал применение эпоксидной смолы и впервые был использован в Исаакиевском соборе.
Перед реставраторами стояла задача и ремонта здания в связи с его естественным старением. Существует множество сил, разрушительно действующих на здание и его декоративное убранство.
Самым серьезным и губительным для здания собора являлась неравномерная осадка, вызвавшая неизбежные механические повреждения. Между неравномерно осевшими частями образовались трещины, были повреждены некоторые строительные конструкции.
Уже при окончании постройки собора вчерне, в 1841 году, была большая разница в осадке западной и восточной частей здания. Спустя 30 лет наиболее тяжелая часть здания сильно просела, а более легкие портики получили наклон к центральной части. Колонны дали крен. Работы по их выпрямлению производились с 1873 по 1898 год под руководством академика Сабанеева. Сущность работ заключалась в следующем. Верхняя часть колонны вырубалась, а перекрытие портика поддерживалось специально построенными деревянными лесами. Между нижним основанием колонны и ее гранитным пьедесталом забивались блонзовые клинья. Затем на место вырубленного верха колонны устанавливались гранитные блоки, которые должны были принимать на себя тяжесть всего перекрытия. Колонны приводились снова в вертикальное положение. Так были выпрямлены колонны всех четырех портиков. Несмотря на значительный объем этой реставрации, следует отметить недостаточную научную обоснованность работ: многое было сделано вприкидку, «на глаз», без применения геодезических инструментов.
Лишь в советское время реставрации стали производиться на строго научной основе, демонстрируя ведущие принципы советского реставрационного дела. Уже в 1927 году по инициативе Главнауки были проведены работы по нивелировке здания собора. Эт0 позволило определить направление и интенсивность наклона. Выяснилось, что западная часть здания имеет осадку на 48 сантиметров больше восточной.