Часто вопросы, возникавшие при реставрации собора, превращались в определенную проблему, решение которой каждый раз требовало серьезного научного и новаторского подхода. Это объяснялось тем, что для полноценной реставрации собора, являвшегося для своего времени уникальным сооружением, необходимо было в современных условиях во многих случаях возродить уже утраченные технологии и методы производства самых разнообразных работ. Не всегда удавалось, а порой и не представлялось целесообразным возрождать те приемы и секреты мастерства, которые можно было без ущерба для памятника заменить новейшими способами реставрации с использованием некоторых, в своем роде уникальных, материалов и методик.
Одной из проблем было воссоздание мраморных модульонов, поддерживающих карниз. От времени железные крепления корродировали, несколько модульонов весом 130–150 кг упало на землю. Метод, предложенный архитектором А. Л. Ротачом, предполагал замену поврежденных мраморных модульонов более легкими, сделанными из листовой меди (метод, использовавшийся при реставрационных работах 1873–1898 гг.). Когда после тщательного обследования верхолазами двух карнизов оказалось, что более тридцати модульонов находятся в аварийном состоянии, реставраторы заменили их пустотелыми с окраской под цвет мрамора.
Бронзовые горельефы и статуи южного портика очищались от грязи, копоти и голубиного помета (в барельефе «Поклонение волхвов» при очистке было вынуто несколько кубометров голубиного помета), отверстия заделывали прочными решетками.
Шестнадцать колонн южного портика, поврежденных осколками снарядов, были отреставрированы. В конце 1959 г. в лаборатории реставрационных мастерских получили специальные составы нескольких новых мастик на основе синтетических смол, которые оказались гораздо прочнее и эластичнее цементных и позволяли точнее воспроизводить цвет и рисунок реставрируемого камня (до 1959 г. выбоины и трещины в камне, как правило, заделывались мастикой на высокосортном цементном растворе).
Проведение необходимых на первых порах мер по просушке интерьера здания затруднялось тем, что промерзшие за годы войны толстые стены при разности внешней и внутренней температур выделяли влагу. К реставрации можно было приступить только после просушки и проветривания.
С 1947 г. художники Специальных научно-реставрационных производственных мастерских Р. П. Саусен, С. Ф. Коненков, И. У. Моисеев, Н. Д. Михеев, И. И. Михеев и др. во главе с художником И. В. Перцевым начали работы по укреплению стенных росписей собора, находившихся в аварийном состоянии. Обычное укрепление красочного слоя при помощи раствора рыбьего клея было невозможно, так как живопись в соборе выполнена на плотном масляном грунте, в который клей не впитывается, и, следовательно, не может соединить отставшие частицы красочного слоя с грунтом.
Небольшая группа специалистов разработала новую методику реставрации монументальной живописи собора. Реставраторы применили для укрепления красочного слоя воскоканифольную мастику, приготовленную по методике Н. В. Перцева: расплавленный воск выливают в раствор канифоли и перемешивают, после чего жидкую мастику при помощи пульверизаторов наносят на поверхность живописи, которую затем проглаживают теплыми утюгами через бумагу; размягчившаяся мастика проникает во все трещины красочного слоя и прочно соединяет его с грунтом. После того как живописная поверхность очищена от загрязнений, утраченные фрагменты живописного слоя восстанавливают методом тонирования. Таким способом в 1947–1950 гг. была законсервирована живопись на аттике главного алтаря, приделах св. Екатерины и Александра Невского. В последующие четыре года живопись центрального нефа, главного алтаря и обоих приделов полностью восстановили. К 1963 г. завершили работы по реставрации росписей барабана купола и западной части собора.
В 1960-е гг., чтобы решить другую, не менее сложную задачу — изыскать способ для восстановления сцепления между штукатуркой и кладкой стены, сотрудники кафедры строительных материалов ЛИСИ предложили вводить в полости, образовавшиеся между кирпичной кладкой и штукатурным слоем, раствор, приготовленный на молотой негашеной извести (извести-кипелке), который отличается чрезвычайной быстротой схватывания и твердения, а также большой прочностью, причем эти процессы происходят без доступа воздуха и, следовательно, могут беспрепятственно протекать под слоем штукатурки [10, с. 266].
Следующим этапом работ была расчистка росписей и их реставрация. Для воссоздания многих утраченных фрагментов росписей необходимо было обратиться к авторским эскизам и картинам. Часть из них обнаружили в фондах Музея Академии художеств и Русского музея. Постижение авторской манеры художника требовало от реставраторов особенно тщательной проработки и многократного повторения оригинала с целью максимального приближения к первоисточнику. В некоторых случаях, когда утраты оказывались особенно серьезными, а авторских эскизов или картонов не находили, как это было с росписью Ф. А. Бруни «Сотворение мира», приходилось прибегать к методам аналогий, используя картоны того же автора для других картин. Подобные проблемы возникли и при реставрации росписей барабана купола по авторским эскизам К. П. Брюллова. Обращение к авторским эскизам, использование метода аналогий, тщательное изучение оригиналов с целью их более точного воспроизведения — все это было свидетельством нового научного подхода к реставрации, который начал формироваться в первые послевоенные годы. В последующие десятилетия метод научной реставрации стал определяющим для всей реставрационной практики.