Приступая к созданию Екатерининского собора в Ямбурге, Антонио Ринальди уже имел опыт храмового строительства. Еще до приезда в Россию, в родной Италии он участвовал в возведении католического собора в городе Пезаро и монастыря св. Августина в Риме. Одним из первых православных соборов, созданных по его проекту, стал храм Воскресения Христова в Почепе. Здесь архитектор решил композицию храма, встроив в массив здания многоярусную колокольню. Удачно найденный прием он в дальнейшем широко использовал. Мы можем видеть его в проектах петербургских соборов – 3-его Исаакиевского, Вознесенского и Князь-Владимирского, – а также в архитектурном решении Екатерининского собора в Ямбурге.

За время строительства (1764 – 1780 гг.) первоначальный проект Екатерининского собора претерпел значительные изменения. В 1773 году возведенный в соответствии с архитектурным замыслом храм был представлен императрице. По решению Екатерины II собор подвергся перестройке. Тогда и появилась характерная для творчества Ринальди трехъярусная колокольня, увенчанная главкой, напоминающей крупную балясину. Такого рода ринальдиевские шпили, в которых по-разному разрабатывался мотив балясины, можно встретить во всех его проектах культовых сооружений.

Вторым существенным изменением в облике храма стало пятиглавие. Четыре основания под малые барабаны были вписаны в уже существующий план здания, который имел форму равностороннего (греческого) креста. Барабаны завершались главками, увенчанными крестами. Кресты Екатерининского собора представляют особый интерес, поскольку выполнены по рисункам самого Ринальди. Их детальное описание представил в своем исследовании искусствовед А. Белобородов: «в массивном вызолоченном подкрестном шаре утвержден четырехконечный общехристианский (униатский) крест с сиянием в перекрестии. Такой же рисунок и пропорции имеют кресты Воскресенского собора в Почепе, созданного по проекту Ринальди».

Внесенные в план коррективы дополнили архитектурную музыку храма новыми аккордами. Впрочем, сама эпоха способствовала развитию новаторских идей. Собор Святой Екатерины создавался в условиях смены архитектурного стиля. В 1760-х гг. благодаря французскому влиянию в России стал популярен так называемый «греческий вкус» (известен сегодня как ранний классицизм). Пышное барокко с его прихотливыми орнаментами уступило место строгой гармонии пропорций нового стиля. Источником вдохновения для художников и архитекторов того времени являлось искусство античного мира и эпохи итальянского Возрождения. Однако пристальное изучение классического наследия не означало буквального следования всем его канонам. Такой подход наиболее ярко выразил один из архитекторов того времени Валлен Деламот в словах «не все античное – закон, надо делать как лучше».

Антонио Ринальди, работая на стыке двух архитектурных стилей, умело сочетал в своих произведениях элементы барокко с новой эстетикой классицизма, идеал которого состоял в «благородной простоте и спокойном величии». Екатерининский собор – один из немногих сохранившихся памятников этого переходного периода. Доминирующим стилем в облике храма выступил классицизм. Он проявился в уравновешенности симметричной композиции, строгом ритме ордерных элементов, уплощенности фасадов и сдержанности убранства. В этом отразились господствовавшие в обществе философские идеи просветительства. Рационализм просочился во все сферы деятельности человека, в том числе, искусство. «Рационализм как стремление к ясности, понятности, логичности архитектурного образа, – отмечает М.А. Ильин в статье “Некоторые особенности переломного периода между барокко и классицизмом в русской архитектуре”, – стал основным фактором формообразования нового стиля. Его принципы требовали особо стройной, логически цельной художественной концепции».

Однако отказ от барокко проходил постепенно. Поэтому, не смотря на господствовавшее положение новых архитектурных веяний, барокко продолжало оказывать влияние на декор здания. Богато украшенный лепкой собор Святой Екатерины заключал в себе разнообразие форм барочного стиля. Гирлянды растительного орнамента, алебастровые вазы, барельефные головки поющих херувимов, пилястры коринфского ордера, изящные волюты и другие элементы декора украшали собор, придавая ему особую торжественность.

Изящество храма подчеркивало и выбранное цветовое решение. Стены имели жемчужно-серый цвет, а пилястры, тяги, скульптурный декор и вазы – белый. Комбинирование этих двух цветов придало восприятию собора дополнительный объем. Кровля и карнизы окон были выкрашены «черленью» (краской кирпично-красного цвета), а главки и шпиль колокольни – «ярью венецианской» (масляной краской синевато-зеленоватого цвета с оттенком окислившейся меди).

Палитра стен в интерьере Екатерининского собора была решена в двух цветах. Выбеленный изнутри храм украшали декоративные элементы, выполненные из искусственного мрамора серо-розового цвета. «Во многих сооружениях Ринальди цвет и структура натурального или искусственного камня являлись главной составляющей декоративного убранства, – поясняет искусствовед А. Белобородов. – Зодчий чувствовал красоту мрамора особенно тонко и виртуозно использовал ее в отделке многих светских и церковных сооружений». Однако лепной декор интерьера был достаточно скуп. Это говорит о возраставшем увлечении архитектора классицистическими тенденциями. В целом же, интерьер Екатерининского собора был решен идентично с архитектурой фасадов. Этот декоративный прием создал единство восприятия художественного образа всего храма.

Дальнейшая история собора показывает, что интерьер храма не раз претерпевал изменения. Неоднократно перекрашивались стены собора, меняя свой цвет. А в конце XIX – начале ХХ вв. купол и стены Екатерининского собора украсили фрески: девятнадцать живописных изображений в стиле Гюстава Доре. Притвор также получил живописное оформление, центральная часть которого была посвящена Святой великомученице Екатерине.

Внешнее убранство храма со временем сильно обветшало. Пышный барочный декор был практически полностью утрачен в XIX веке. Тогда же на собор обрушилась настоящая беда: на внутренней части колокольни и двух западных барабанах образовалось множество трещин. Причина их возникновения, вероятно, была связана с действием грунтовых вод. Чтобы уберечь собор от дальнейшего разрушения, архитектор П.П. Трифанов предложил скрепить трещины на стенах колокольни специальными железными скобами, а западные барабаны связать металлическими обручами. Исполнение сложных технических работ стало возможным благодаря личной помощи князя В.В. Оболенского. Благодаря ему удалось найти необходимую для ремонта сумму. Конструкция П.П. Трифанова оказалась надежной. Уже более ста лет она фиксирует от разрушения два малых барабана храма.

В начале ХХ века в среде творческой интеллигенции наблюдался всплеск интереса к отечественным памятникам старинной архитектуры. Императорская археологическая комиссия признала ямбургский собор «высокохудожественным памятником старины». В 1911 году был учрежден комитет по реставрации Екатерининского собора. Однако, как отмечает А. Белобородов, «главная задача комитета… оказалась не выполненной. Воссоздание утраченного великолепия собора было сведено к мероприятиям по консервации проблемных участков здания. В 1913 году от реставрационных работ отвлекли общеимперские мероприятия по празднованию 300-летия Дома Романовых, а в 1914 году началась Великая война». Ветхое состояние Екатерининского собора еще более усугубилось в советский период. Храм претерпел надругательства со стороны безбожной власти, разделив скорбную участь многих святынь нашей страны.