Вернулись к этой идее только в 1849 году по предложению купца Вукола Кузовлева. Его идею поддержал городской голова Николай Добрынин (1811–1887). Новый проект взялся представить коллежский асессор и архитектор Тульского оружейного завода Михаил Михайлов. Дважды его проекты отвергали в столице из-за «неблаговидности фасада». Николай I утвердил лишь третий вариант в 1854 году.

Строительство собора заняло три года, после чего еще несколько лет велась внутренняя отделка. Освятили собор только в 1862 году.

В свой проект собора, выполненный «в русском стиле», Михайлов включил мотивы нарышкинского барокко: наличники с «петушиными гребнями», тонкие колонны-дудочки, килевидные арки, граненые куполки угловых барабанов. Над собором возвышалась несуразно преувеличенная луковичная глава.

Собор имел духовое отопление: в подвале поместили три больших калориферных печи, а в самом храме — две маленьких. Вентиляционные каналы выводились в дымовые трубы и работали плохо. В храме было трудно дышать, так что приходилось держать все форточки открытыми, а из-за трещин в отопительных трубах на фресках и иконах оседала копоть. В начале 1890-х годов решили это исправить, устроив в храме водяное отопление и надежную вентиляцию. Для того времени это были довольно сложные инженерные решения.