Wnętrze Górna cerkiew Według pierwotnego projektu soboru miał on oprócz ołtarza głównego posiadać dwa boczne, z których mogłyby korzystać prawosławne społeczności grecka i bułgarska. Ostatecznie, z nieznanych powodów, plan ten zarzucono, decydując się na urządzenie dolnej świątyni w piwnicy soboru.
Większość wyposażenia (ikonostas, ikony, mozaiki) pochodzi z II połowy XIX wieku. Istotną część wnętrz stanowią kopie słynnych rosyjskich ikon, w tym dzieła Andrieja Rublowa Trójca oraz ikony św. Aleksandra Newskiego z soboru jego wezwania w Sankt Petersburgu. Nowe dzieła sztuki dla cerkwi były jej regularnie przekazywane przez społeczność rosyjską Francji i Europy. Ikony Matki Boskiej znajdujące się w świątyni przekazywały m.in. organizacje kozaków dońskich, byłych żołnierzy białych armii czasów rosyjskiej wojny domowej, a w latach 50. XX wieku Związek Kombatantów Rosyjskich Sił Powietrznych.
Dolna cerkiew Cerkiew Trójcy Świętej, urządzona w piwnicy soboru, została poświęcona w 1863, jednak prace nad jej urządzaniem trwały jeszcze przez sześć lat. Wejście do wnętrza świątyni znajduje się od strony południowo-wschodniej ściany budynku.