В этот период в музее продолжалась серьезная научно-исследовательская работа, необходимая для реставрации памятника и направленная на выявление архивных документов.
Тогда же в изучении собора стал применяться искусствоведческий анализ. В первую очередь это способствовало правильной атрибуции художественно-декоративного убранства собора, что имело больше значение при подготовке к реставрационным работам. Во-вторых – способствовало воспитанию художественного вкуса у экскурсантов, обогащало их духовный мир.
Параллельно с работой музея и обслуживанием посетителей в алтарной части боковых приделов были проведены консервационные мероприятия и реставрация двенадцати живописных изображений.

В декабре того же года музей был закрыт на реставрацию. В этот период изучались архивные документы, готовились материалы для восстановительных работ и создания новой экспозиции. Велись работы по реставрации живописи в центральном нефе, аттике, главном алтаре и приделах.

Один из первых документов о принятии мер по выяснению полного объема реставрации и состоянии музея относится к ноябрю 1951 года, когда решением Ленгорисполкома была утверждена техническая рабочая Комиссия для обследования технического состояния всех конструкций и частей здания, внутренней и наружной облицовки, штукатурки, живописи, мозаики, сантехнического и электротехнического оборудования.

В декабре 1951 года решением Ленгорисполкома музей был закрыт на реставрацию, проводившуюся Специальными научно-реставрационными производственными мастерскими (СНРПМ). Работами руководил архитектор-реставратор А. Л. Ротач. Одним из значимых моментов в истории реставрации Исаакиевского собора стало заведенное А. Л. Ротачем обязательное составление отчетов о проделанной работе, использованных материалах и методах.
Научно-исследовательская работа в этот период была направлена на изучение архивных документов и подготовку научных материалов для реставрации и создания новой экспозиции.

Профессор кафедры стекла Ленинградского технологического института В. В. Варгин и старший мозаичист Академии художеств В. В. Сорокин произвели детальный осмотр состояния всей мозаики Исаакиевского собора и сделали заключение, что она, в отличие от живописи, имеет удовлетворительное состояние. Процесс разрушения, который наблюдался после блокады, коснулся мастичной штуковки и в некоторой степени отдельных смальт.
Специалисты Научно-производственных реставрационных мастерских провели мероприятия, способствующие лучшей сохранности мозаик: промывку картин от копоти, пыли, подтеков и высолов, штуковку местами открытых швов воском в золотых тонах и в цветных смальтах, полировку потускневших участков картин с поверхностно разрушенной смальтой.

С 1954 года под руководством Якова Александровича Казакова началась реставрация монументальной живописи в центральном нефе, аттике, главном алтаре и приделах. Предварительно была сделана графическая фиксация ее состояния. На схемах, составленных по каждой картине, было указано состояние штукатурного и красочного слоев.
Реставраторы занимались и укреплением штукатурного слоя. Для собора наиболее подходящим оказался способ с применением извести-кипелки. Живопись Исаакиевского собора была отреставрирована в течение 8 лет. Завершающий этап этой работы – воссоздание плафона главного купола работы К. Брюллова.

В период с 1955 по 1956 год проводились работы по очистке камня колонн главного иконостаса, шлифовка и полировка пластиночек, воссоздание утрат.

С 1955 года начались реставрационные работы на фонарике главного купола Исаакиевского собора. В период с 1955 по 1957 год была отреставрирована обшивка, заменено верхнее покрытие, фонарик окрашен, базы и капители патинированы, обновлено утепляющее наполнение.

Журналист «Ленинградской правды» Ю. Юношева 7 июля писала: «Всякий, кто проходил в тот день по Исаакиевской площади, невольно останавливался, пораженный необычным зрелищем. На кресте главного купола огромного собора, на невероятной головокружительной высоте (102 м) работали два человека... Это были архитектор Ю. П. Спегальский и альпинист О. П. Тихонов. Им пришлось снять облицовку креста, очистить железные конструкции от ржавчины и, обновленные, поставить на место». Подъем на купол открыл новые возможности для обследования и реставрации креста на его вершине.
Крепления и металлическая арматура креста главного купола были сильно повреждены коррозией. В ходе реставрации их очистили, покрыли олифой и окрасили суриком, недостающие части изготовили заново. Крест был очищен от старой позолоты и грязи, отшлифован и покрыт лаком-морданом, после чего на его поверхность нанесли тонкий слой сусального золота.
Крест снимали не целиком, а по частям, разборку приходилось вести на высоте около 100 м, спускать части вниз, реставрировать, снова поднимать наверх и укреплять каждую на свое место.

Реставрация витража производилась в 1956–1957 годы мастерами Экспериментальных мастерских и кафедры керамики и стекла Высшего художественно-промышленного училища имени В. И. Мухиной. Работа велась под руководством и при непосредственном участии преподавателя этой кафедры Е. В. Поповой.
Это уникальное произведение состоит из 21 рамы, в 13 из которых цветное стекло было выбито. Сложность представляли поиски рецепта стекла, близкого по составу к старинному.
При реставрации металлические рамы витража даже не демонтировались. После реставрации нижняя часть картины по характеру росписи стала отличаться от подлинной композиции, появились провалы в тоновом решении. В основном проведенная работа носила характер консервации.

С 1956 по 1963 год восстанавливали внутреннюю мраморную облицовку стен, удаляли «переродившийся» слой мрамора, обрабатывая камень карборундовыми наждачными кругами, снимая верхний слой на 1,5–2 мм, восполняли вставками утраты, трещины заделывали цементом с мраморной крошкой на эпоксидной смоле. Мрамор промывали и полировали.

Усовершенствовано освещение Исаакиевского собора: на галереях, карнизе главного алтаря, вокруг плафона главного купола были установлены люминесцентные лампы, по углам здания – мощные софиты. Детали убранства в верхней части храма, ранее скрытые полумраком, стали доступны для обозрения.

Основным объектом показа в открытом после реставрационных работ музее было само здание и его внутреннее художественно-декоративное убранство, получившее в результате реставрации второе рождение. Экспозиция расширялась постепенно, открывая после реставрации новые части здания для осмотра посетителями.
Был значительно усилен акцент на искусствоведческий материал. Более тщательное освещение получило творчество крупнейших скульпторов и художников, работавших в Исаакиевском соборе. Появилось значительное количество рисунков, чертежей, схем, сразу ожививших стенды. Раздел, посвященный реставрации, пополнился целым рядом материалов, отражающих как прошлые, так и последние реставрационные работы.

Благодаря радиофикации появилась возможность прослушать экскурсию о Ленинграде, осматривая его с высоты. Нововведение требовало подготовки специального методического материала (в первую очередь учитывающего погодные условия: ветер, холод и т. п.), утвержденного впоследствии Управлением культуры Ленгорисполкома. Дополнительно к плановой работе, в порядке выполнения соцобязательств, совместно с сотрудниками Государственного музея истории города на колоннаде главного купола была подготовлена выставка, дающая представление об архитектурных объектах, видимых с высоты смотровой площадки собора, а также о социалистическом строительстве Ленинграда, о вновь создаваемых жилых районах и общественных сооружениях.

Важным этапом послевоенных работ стала реконструкция отопительной системы. Усовершенствованная система была подключена к городской теплосети, воздух нагревался горячей водой, проходя через новые калориферы, расположенные в подвалах здания, и подавался по каналам в стенах собора с помощью вентиляторов в основное пространство собора. Средняя температура воздуха в здании была повышена до 17ºC (раньше температура воздуха зимой не поднималась выше 7ºC), а уровень влажности снижен до 50–60%. Создание и поддержание температурно-влажностного режима являлось очень важным условием для сохранения живописи, лепки и мрамора.