Стены собора, выложенные из кирпича, были облицованы пудожским камнем (по названию деревни Пудость вблизи Гатчины, где были каменоломни). Этот камень привлек внимание зодчего тем, что он легко пилится и колется, а после пребывания на воздухе затвердевает и приобретает необходимую прочность. Чтобы предохранить камень от разрушения во влажном и холодном климате, поверхность его для закрытия неровностей и пор затиралась алебастром.
Для отделки интерьеров были широко использованы мрамор, рижский известняк, гранит, шокшинский камень, бронза, чугун.
Нельзя не отметить пристрастия зодчего к металлу и камню. Это пристрастие, вероятно, результат знакомства с уральскими постройками, особенно во время путешествия вместе с академиком П. С. Палласом.
Наружные колонны Казанского собора имеют базы из чугуна. Чугунные плиты квадратной формы подложены и под наружные колонны Владимиро-Богородской церкви в Новом Усолье (построена в 1757 году). Для уральских строителей использование металла при сооружении промышленных, церковных, жилых зданий — традиционный прием.
Чугунные балки, стропила фабричных зданий появились на Урале в XVIII веке. Металлические тяги между продольными стенами (они играли роль жесткостей) были поставлены в церкви Орла-городка еще в 1735 году.
Металл на Урале очень часто применяли и для плит пола (Ленвенская церковь, что напротив Усолья), оконных ставней (Соликамские соборы). Поразительные по красоте чугунные двери и сейчас украшают Пермский краеведческий музей (бывший архиерейский дом, возведенный в конце XVIII столетия). Купола церквей, шпили колоколен тоже выполнялись нередко из металла.
Воронихин пошел дальше: конструкцию купола собора он создает из ковкого железа. Не считая маленьких по своим размерам куполов церквей, это была первая в России подобная пространственная металлическая конструкция. Отметим и еще одно нововведение: для сборки купола была сделана модель, которая служила образцом.
Смелым решением было и перекрытие боковых проездов горизонтальной перемычкой длиной около восьми метров.
Новшество всегда вызывает возражения, а иногда и непонимание. Даже такой опытный архитектор, как И. Е. Старов, видимо испугавшись необычности конструкций, усомнился в устойчивости здания. Пользуясь правом контролера постройки, он 10 июня 1804 года подал в комиссию по строительству свой знаменитый рапорт, в котором обвинял Воронихина в незнании строительного искусства, и в частности указывал на слабость несущих пилонов купола и перемычек проездов.
