По первоначальному проекту архитектора В. А. Покровского, пещерного храма в Федоровском соборе не предполагалось, и ныне им занимаемое место предназначалось для устройства отопления и раздевальни для нижних чинов. Утварь и иконы временной Серафимовской церкви готовились к перенесению в верхний храм. Тем не менее, было решено перенести её в целости в Фёдоровский собор в виде пещерного храма, с сохранением престола преподобного Серафима.

Для церкви был углублён и расширен подвал, определённый ранее заложенным фундаментом. Над его обустройством трудился помощник строителя собора архитектор В. Н. Максимов, под руководством князя А. А. Ширинского-Шихматова.

В стенах присутствуют углубления для икон. Все стены от пола до потолка обтянуты темной материей, панели украшены синей набойкой с тёмно-красными цветами древнерусского рисунка. По северной и южной стенам были подвешены ряды лампад, ближе к стене располагался второй ряд лампад.

Потолки сводчатые (высота около 3,6 метров), покрыты фресковым орнаментом в характере ярославской церкви Иоанна Предтечи XVII века с преобладанием светло-золотистой охры. Для росписи применялись новые минеральные краски, которыми на стенах сеней были написаны изображения рая и ада, а на потолке — «тверди небесной». Роспись была выполнена художниками-живописцами братьями Н. П. и Г. П. Пашковыми и В. С. Щербаковым при участии В. М. Васнецова. Росписи были воссозданы художниками В. Н. и Н. Лупановым с учениками.

Полы покрывали тёмно-красные ковры с широкой зелёной дорожкой.

В алтаре стены обтянуты светло-золотистой парчой без рисунка. На выступе восточной стены алтаря был расположен ряд небольших икон в слабо вызолоченных окладах. Дарохранительница представляла собой уменьшенную копию сени над могилой преподобного Серафима Саровского.

В связи с небольшой высотой храма иконостас состоял из одного яруса местных древних икон, дополненных деисусом. Среди них были образ Господа Вседержителя и Тихвинская икона Божией Матери старого московского письма; икона святителя Николая Чудотворца; икона Благовещения Пресвятой Богородицы «устюжского северного письма», выполненная строгановскими мастерами в Устюге; а также образ Святой Троицы XVII века и редкая Феодоровская икона Божией Матери. Иконы были украшены драгоценными камнями, жемчугом.

На правом клиросе против южных дверей алтаря находилось особое кресло, показывающее Царское место. Рядом располагалась «комната Их Величеств», она примыкала к южной части храма, представляла собой продолговатую комнату, будучи продолжением солеи. Комната была украшена иконами, шитыми пеленами и крестами.

Из царской комнаты дверь ведёт в верхний храм, а рядом — небольшой коридор, который, изгибаясь, приводит в алтарь. В этом коридоре в центре изгиба находилась молельня императрицы. В настоящее время убранство молельни повторяет дореволюционное. Кресло императрицы восстановлено по чертежам.

Для служителей собора по эскизам В. М. Васнецова было изготовлено специальное облачение, похожее на стрелецкий кафтан. В. М. Васнецов также создал эскизы одежды для певчих собора и облачений клира.