Храм был богато украшен. По периметру фасадов на уровне порталов проходил мраморный барельефный пояс с изображениями мифологических сцен и сцен из священной истории (скульпторы Н. А. Рамазанов, П. К. Клодт, А. В. Логановский, П. Ф. Толстой). В росписи храма участвовали В. И. Суриков, В. В. Верещагин, А. Т. Марков, П. В. Басин, Ф. А. Бруни, К. Е. Маковский, Г. И. Семи-радский и другие.
В 1837 г. Тону было поручено составление проекта еще одного грандиозного сооружения в Москве — Большого Кремлевского дворца. В 1839 г., одновременно с храмом Христа Спасителя, начались строительные работы, законченные в 1849 г. В проектировании и строительстве Большого Кремлевского дворца принимала участие большая группа московских мастеров. Распределение работ между ними было следующим: в 1838 г. главным архитектором был назначен Тон, главным художником — Ф. Солнцев, "архитекторским помощником" — П. А. Герасимов; Ф. Ф. Рихтер был назначен старшим архитектором, заменявшим Тона в общем руководстве, лишь с 1843 г. Проектирование интерьеров и внутреннего убранства велось архитекторами Ф. Ф. Рихтером и Н. И. Чичаговым, большая роль в проектных работах и наблюдении за строительством принадлежала также Н. И. Чичагову, В. А. Бакареву, Н. А. Шохину и другим.
Первоначально Большой Кремлевский дворец и Оружейная палата (в ее проектировании наряду с К. Л. Тоном принимали участие Н. И. Чичагов, П. А. Герасимов, В. А. Бакарев, М. Трубников и И. Горский) рассматривались как единый комплекс, предполагалось их одновременное строительство. Однако при составлении сметы на 1842 г. было решено разделить строительство на две очереди. В первую очередь вошли дворцовый корпус — апартаменты царей, или корпус, выходящий на Москву-реку, — с парадными залами и включенными в их состав древними сооружениями; во вторую — апартаменты великих князей, примыкавший к ним корпус Оружейной палаты, часть кремлевской стены у Боровицких ворот, водоподъемная система нового дворца и перестройка церкви Уара.
Задача, стоявшая перед Тоном, отличалась от задач его предшественников (от В. И. Баженова и М. Ф. Казакова и до В. П. Стасова). Все они проектировали дворец в стиле классицизма, подчеркивая приобщенность послепетровской России к мировому историческому процессу. Задача Тона была иной. И композиционно и стилем требовалось подчеркнуть связь здания с окружающими его национальными историческими святынями — древними храмами и царскими дворцами. Новое осознавало и утверждало себя не как открытый и откровенный разрыв со старым, с формами и приемами зодчества древнего Кремля, как было до сих пор, а в сознательном обращении к забытой традиции, на протяжении более чем столетия занимавшей подчиненное место в системе культурных ценностей. Это находит отражение в облике и композиции дворца: нижний этаж (терраса), схема фасада, обработка его плоскости пилястрами, рисунок наличников — все это восходит к облику, композиции и формам Теремного дворца царя Алексея Михайловича.
Новые помещения Большого Кремлевского дворца составили единое целое с древними и стали их непосредственным продолжением. К древней традиции восходят также черты живописности в созданном по проекту Тона ансамбле. Планировка Большого Кремлевского дворца традиционна и нова одновременно. К традициям классицизма восходят регулярность общего плана постройки (прямоугольник с внутренним двором в центре) и анфиладность расположения залов, как бы нанизанных на одну ось. Нов сам прием планировки, в период классицизма употреблявшийся в Петербурге по преимуществу при строительстве доходных домов, корпуса которых располагались по периметру участка, оставляя незастроенным пространство внутреннего двора. Но в конкретных условиях Кремля этот прием, переосмысленный применительно к сооружению дворцорого типа, трактован оригинально и воспринимается совсем непохожим на прототипы благодаря тому, что Большой Кремлевский дворец включил в свой состав древние храмы, Терема, Золотую Царицыну и Грановитую палаты. Галерея зимнего сада соединила Большой Кремлевский дворец с корпусом, где разместились царские апартаменты, Оружейная палата, Конюшенный корпус, примыкающие под тупым углом к основной группе помещений. В результате возник несвойственный классицизму живописный, свободно расположенный, подобно древнерусским прототипам, ансамбль.
Однако обращение к традиции всегда сопровождается ее переосмыслением. Так случилось и на этот раз. Приближенный к бровке Кремлевского холма дворец (высота 49,94 м, длина 121,5 м) придал панораме Кремля со стороны Москвы-реки черты представительности, внес отсутствовавший прежде элемент фронтальности. Кремль приобрел отчетливо выраженный парадный фасад. Прежде в панораме Кремля доминировали вертикали соборов и колоколен. Отныне их живописную группу уравновешивает огромный нерасчлепенный блок дворца. Он поставлен в соответствии с привычными для послепетровского регулярного градостроительства правилами расположения зданий по красной линии улиц. Разница лишь в том, что здесь эта линия является воображаемой — это гладь Москвы-реки.
Фасад Оружейной палаты варьирует схему фасада дворца — равномерное членение простенков, но не пилястрами, а приставными колоннами, древнерусские формы арок — сдвоенных, с гирькой в середине, различная обработка нижней и верхней частей фасада. Облик Оружейной палаты богаче, чем дворца, и камерней одновременно. Богаче — благодаря стволам колонн, покрытым резьбой, выполненной по мотивам резьбы теремов; камерней — поскольку нижние этажи представляют собой лишь трактованную иначе часть здания, а не торжественный подий, как во дворце.
Сочетание грандиозности, богатства и измельченности декора отличает и интерьеры Большого Кремлевского дворца. Дворец двухэтажный, хотя кажется трехэтажным; во втором, двусветном этаже по периметру здания расположены парадные залы. Главные из них были посвящены основным орденам Российской империи — Георгия Победоносца, Андрея Первозванного, Владимира, Александра Невского и Екатерины.
В отделке парадных залов Тон был вынужден отойти от своего пристрастия к типовым решениям, а может быть, в этом сказалось влияние москвичей Ф. Ф. Рихтера и Н. И. Чичагова. Традиция классицистического интерьера, основанного на чередовании залов разной формы и размера, переосмысляется и обогащается новыми пространственными композициями; резче становится контраст между пространственным и стилевым оформлением расположенных рядом залов. Несходством размеров и пространственных построений подчеркивается многообразием сводчатых покрытий. Предпочтение отдается сводчатым и купольным покрытиям; в парадных залах исчезают плоские потолки — в Большом Кремлевском дворце они являются принадлежностью по преимуществу второстепенных или подсобных помещений — коридоров, галерей, жилых комнат. В этом также видится отход от классицистической традиции и обновление древнерусской; здесь, в частности, сказалось и влияние расположенных рядом отреставрированных под руководством Ф. Солнцева интерьеров Теремного дворца.
Резко возрастает интенсивность колористической гаммы. Обилие мелкой золоченой резьбы вносит определенную интимность в громадные, как площади, залы, создает сложное ощущение представительности и в то же время уюта. Это впечатление особенно сильно в парадных покоях — гостиных, будуарах, кабинетах, где усложненности пространственных решений с обилием ниш, выступов и западов, разнообразию форм сводчатых и купольных потолков вторят прихотливые формы мебели, пестрый рисунок ковров на стенах, обивки стен, драпировок.
Композиция самого большого из парадных залов — Георгиевского (высота 16 м, ширина 20,8 м, длина 61 м) — показывает, в каком направлении идет переосмысление традиционного для классицизма типа колонного зала. Георгиевский зал перекрыт сводом. Из-за того что своды опираются ыа пилоны, отстоящие довольно далеко от стен, боковое пространство становится частью многосоставного грандиозного целого. Иначе обстояло дело в колонных залах классицизма. Там колоннада отделяла главное, самостоятельное пространство центральной части (собственно зал) от боковых, трактованных тоже как самостоятельный, но второстепенный элемент (обход, галерея). Кажущийся особенно мелким по сравнению с грандиозными размерами зала декор сводов, приставные колонки перед пилонами, резкость перепадов в размерах и масштабах — все это вновь заставляет вспомнить о своеобразной двойственности этой архитектуры, обнаруживающей одновременно пристрастие к грандиозному и измельченному.