Le touriste aperçoit de loin ses coupoles dorées. La structure est imposante, le style est défini comme néo-byzantin. La base est formée par une basilique à cinq nefs, en disposition de croix, couronnée par une multitude de coupoles, demi-coupoles et voûtes autour d'une grande coupole centrale. L'intérieur se divise en trois parties - narthex avec deux chapelles, partie centrale et autel avec trois trônes. La partie centrale se forme elle-même de cinq nefs. Dans le sous-terrain se trouve la crypte qui initialement était prévue pour recueillir des sépultures mais en 1965 fut transformée en musée pour les arts de l'Antiquité et du Moyen Age, filiale de l'Académie nationale des Beaux arts. On peut y voir notamment la plus belle exposition d'environ 300 icônes et fresques bulgares de la période entre le IX et le XIX siècles . Le clocher pointe à 53 mètres et abrite 12 cloches, fondues à Moscou. La plus grande pèse 12 tonnes, la plus petite 10 kilos, pour un poids total de 23 tonnes.

L'habillage des coupoles cumule une superficie d'environ 4 000 m². Une première couche est constituée d'une couverture bitumeuse suivie d'une tôle de cuivre. La dorure couvre 700 m² de superficie des coupoles supérieures. La couche est très fine, d'une épaisseur de seulement 0.4 microns. Cette finesse nécessite des opérations périodique de recouvrement. La dernière s'est terminée en 2003. L'or utilisé est très pur (23.75 carats) et il en a fallu 8,35 kilos.

L'habillage de la façade est réalisé avec de la pierre blanche de Vratza. Le travail fut initialement confié à des tailleurs de pierre italiens mais après une grève ils furent remplacés par des artisans bulgares. Au total ce sont des travailleurs de six nationalités différentes qui étaient engagés dans la construction du temple : des Bulgares, des Russes, des Allemands, des Autrichiens, des Tchèques et des Italiens.

La cathédrale entière est ceinturée par un socle de granite de 1,40 m. Deux plaques de marbre, posées des deux côtés de l'entrée principale, commémorent l'amour fraternel et la profonde reconnaissance envers le grand peuple russe pour la Libération de la Bulgarie en 1878. Les imposantes portes en bois de la cathédrale sont élaborées à Vienne. Le bois utilisé est du chêne de Slavonne. Les portes sont couvertes de sculptures sur bois en forme de rosaires cruciformes.

La cathédrale Alexandre Nevski est haute de 53 m, longue de 73,5 m, large de 52,2 m. Elle peut contenir 5 000 personnes, autant que la plus grande salle dans le Palais national de la culture (NDK).

L'ornementation intérieure d'Alexandre Nevski est très riche, de matériaux très chers et haut de gamme furent exclusivement utilisés : des marbres multicolores italiens, brésiliens, marocains et allemands, de l'onyx brésilien, de l'albâtre indien.

Les luminaires sont fabriqués à Munich, dans un style Nouvel Empire. Le lustre central pèse 2 tonnes et demi, suspendu à 27 mètres de hauteur, décoré avec de verre de Iéna. Le sol du temple est recouvert de mosaïques de marbre multicolore italien, importées de Venise.

Dans l'autel central se trouve le trône pontifical avec son baldaquin composé de quatre colonnes de marbre rouge, reliées par des arcs, à qui se superpose une colonnade de 32 colonnes, toutes faites d'onyx brésilien rouge et vert et de l'albâtre de la plus haute qualité. Le trône royal se trouve derrière le trône pontifical, lui aussi à l'intérieur d'un baldaquin avec quatre colonnes de marbre vert. Les deux colonnes de devant reposent sur deux lions couchés.

L'iconostase centrale est fabriquée en plusieurs sortes de marbre et rejoint les deux colonnes de devant en onyx du baldaquin. La partie intérieure de l'iconostase est faite de marbre blanc et jaune avec 9 emplacements pour des icônes dont les archivoltes reposent sur des colonnes de marbre vert italien; la partie supérieure remonte à 2 mètres et est fabriquée en marbre rouge clair avec 10 emplacements pour icônes, plus petits que ceux du bas. Tous les icônes de l'iconostase sont peintes par d'illustres peintres russes (dont deux de Victor M. Vasnetzov - Christ le Sauveur et Sainte Marie). L'estrade est faite de mosaïques de marbre, avec 5 marches de marbre vert foncé.

Il existe deux autres iconostases latérales, comme une réplique en miniature de l'iconostase centrale. Les icônes du côté nord sont peintes par le grand peintre bulgare Ivan Markvitchka, ceux du côté sud par Anton Mitov.

En hauteur, autour de la coupole centrale, est peint en circulaire et en bronze toute la prière Notre père, avec la typographique typique des livres chrétiens slaves. Sous la coupole est réalisée l'une des fresques les plus impressionnantes, celle de Dieu, oeuvre du grand peintre russe Grigoriy Myasoedov. Du fait de l'échelle, le peintre dessinait sur un plan de la fresque calculé mathématiquement sans jamais pouvoir la voir dans son ensemble, du haut de son échafaudage. Le diamètre du visage mesure 2 mètres, le bras est long de 4,6 m et la superficie du tout mesure 850 m². Myasodeov ne put voir son oeuvre intégral qu'une fois l’échafaudage démonté.