Сохранившиеся фотографии и архивные документы позволяют наглядно представить себе величественность внешнего вида и интерьера храма. Предметы внутреннего убранства и церковная утварь представляют собой богатые и изящные образцы церковного искусства начала XX века.
Построенный из железобетона, величественный пятикупольный храм на 3500 человек, высотой 48 м и площадью 350 м², повторял контуры ростовских церквей XVII века – эпохи воцарения Дома Романовых. Главный его купол был покрыт золоченой медью, а четыре других – чешуйчатой медью.
Фасад, облицованный белым тверским камнем-известняком и покрытый резным орнаментом, украсили две иконы. Подходящего к храму со стороны Полтавской улицы встречала 8-метровая майоликовая рельефная Феодоровская икона Богоматери в обрамлении родословного древа Романовых. Над входом в храм размещался мозаичный Спас, копия с работы В.М. Васнецова.
Нижний храм был посвящен знаменитому представителю династии Рюриковичей – св. благоверному великому князю Александру Невскому. Церковь, вмещавшая 1500 человек, была внутри выдержана в новгородском стиле XIII века (эпоха Александра Невского), оформлена четырьмя массивными колоннами, стрельчатыми сводами и окнами-бойницами. Мраморный иконостас украшали старинные царские врата.
На второй этаж в верхнюю церковь вела лестница, расписанная фресками со сценами из священной истории, с красивыми дверями из чеканной бронзы.
Верхний храм был посвящен Феодоровской иконе Божией Матери – родовой иконе Дома Романовых. Рассчитанный на 2 000 человек, он был украшен в ростовском стиле XVII века. Высокие своды и отсутствие колонн создавали ощущение простора. Большие окна, высотой до 5 метров, наполняли пространство светом. Акустика помещения отличалась превосходным резонансом. Вырезанный из липы, пятиярусный иконостас был покрыт басмой. Иконы – копии старинных – написали известные московские изографы, в частности Г. О. Чириков – реставратор икон Андрея Рублева. Утварь изготовила знаменитая фирма «Оловянишников и сыновья», многие предметы убранства были копиями с хранившихся в Оружейной палате реликвий XVI–XVII веков. Под куполом висела ажурная бронзовая люстра-паникадило диаметром 6,5 метров в виде шапки Мономаха. В алтаре на престоле стояла серебряная дарохранительница – уменьшенная копия Успенского собора Московского Кремля.
В Ярославле были отлиты колокола с именами членов царской семьи и гербами знаменитых русских городов – Киева, Великого Новгорода, Нижнего Новгорода, Владимира, Ярославля, Москвы и Санкт-Петербурга.
По замыслу автора – архитектора С. С. Кричинского, – в Петербурге вокруг храма-памятника должен был возникнуть целый комплекс зданий – своего рода уголок Святой Руси. На средства, собранные в славянских странах, были возведены: звонница, часовня, граненая башня, где предполагалось разместить музей XVII в., и причтовый дом с кельями. От Московского вокзала комплекс зданий Феодоровского собора отделяла массивная зубчатая стена с башнями, наподобие стены Московского Кремля. Идея состояла в том, чтобы всякий въезжающий в Санкт-Петербург через Николаевский (Московский) вокзал по правую руку видел перед собой уголок Старой столицы.