Для создания церкви был объявлен конкурс на лучший архитектурный проект. Требования к внешнему виду храма были сформулированы императором Александром III в достаточно общих чертах: "чтобы будущий храм напоминал душе зрителя о мученической смерти покойного императора Александра II и вызвал верноподданнические чувства преданности и глубокой скорби русского народа". Проекты первого конкурса в русско-византийском стиле были отклонены императором с резолюцией: "…все проекты, хотя и очень составлены, но желательно, чтобы храм был построен в чисто русском вкусе XVII века, образцы коего встречаются, например, в Ярославле, и что самое место, где император Александр II был смертельно ранен должно быть внутри самой церкви в виде особого предела". Проект за совместным авторством архитектора Альфреда Парланда и архимандрита Игнатия стал таким собирательным образом "русского вкуса XVII века".

Внутреннее пространство храма, около 7 тыс. кв. метров, покрыто мозаикой, а не росписью. Мозаика выложена по эскизам таких художников как А.П.Рябушкин, Н.А.Кошелев, Н.К.Бодаревский, В.М.Васнецов, Н.Н.Харламов и др.