Музей, получивший название «Государственный Антирелигиозный музей (бывший Исаакиевский собор)» находился в подчинении Ленинградского отделения отдела народного образования Наркомпроса. В документации 1930–1940-х годов традиционным сокращением названия стала аббревиатура ГАМ. Первым руководителем музея был назначен Лев Николаевич Финн, а его заместителем – Н. М. Трошин.
Уже в первые годы существования музея среднегодовая посещаемость составляла более 500 000 человек.

В Исаакиевском соборе первая публичная демонстрация опыта с маятником Фуко была приурочена к открытию музея и состоялась в пасхальную ночь с 11 на 12 апреля 1931 года. Работа по расчетам и размещению маятника велась под руководством профессора Н. П. Каменьщикова. Скульптурное изображение голубя (символа Святого Духа) сняли с крепления в фонарике главного купола и переместили в дальнюю часть экспозиции, в отдел пережитков тотемизма. А к перекладине подвесили трос и чечевицу (бронзовый шар) с прикреплённым внизу остриём.
Маятник, установленный в Исаакиевском соборе, был самым крупным в мире.

В 1930 году в связи с запланированным открытием в Исаакиевском соборе Государственного Антирелигиозного музея было принято решение Ленгорисполкома о снятии колоколов, что и было осуществлено в 1931 году, о чём сообщалось в газете «Ленинградская правда» и других изданиях. Колокола были сняты трестом «Рудметаллторг» и отправлены на переплавку. Дальнейшая судьба колоколов документально не подтверждается.
В фондах музея хранится два гипсовых слепка с изображений в медальонах двух разных колоколов собора. Детали были копированы в 1930 году перед снятием.

При Исаакиевском соборе утверждается технико-художественная комиссия по охране и реставрации здания. Был составлен план работ и сметы на 1932–1937 годы, включавшие в себя восстановление мраморной облицовки стен, пилонов, колонн; установку и замену электросетей, ремонт конструкций купола и кровли и другие работы. Прообразом этой комиссии являлось техническо-художественное совещание собора, отвечавшее за сохранность здания до 1917 года.
В конце года деятельность комиссии была прекращена, сокращена должность архитектора-хранителя.

С. С. Терехов в конце 1932 года упразднил деятельность технико-художественной комиссии и должность постоянного архитектора. При нем, несмотря на ухудшающееся состояние собора, никаких капитальных работ по ремонту здания не производилось.
На сегодняшний день точные даты работы в музее С. С. Терехова и его предшественника Л. Н. Финна не установлены, отсутствуют их биографические данные. В автобиографии С. С. Терехов в 1933 году писал: «Я работал раньше в музее «Безбожник», затем меня перевели в другое место».

В 1917 году Николай Николаевич Глебов-Путиловский работал слесарем на Путиловском заводе, от которого прошел в Петроградский Совет. Служил в Коминтерне. Был заведующим окружным фотокинокомитетом, руководил фотосъёмкой II и III конгрессов Коминтерна. С 1920 года член РКП (б). Был разносторонне развит, хорошо разбирался в живописи, пел, выступал в концертах, автор нескольких книг, брошюр и статей. Был женат на сестре художника П. Н. Филонова, которого позднее привлёк для работы по экспозиции музея.

К оформлению экспозиции Государственного Антирелигиозного музея привлечён художник Павел Николаевич Филонов. С апреля по август 1934 года П. Н. Филонов вместе с художником П. Э. Серебряковым расписывал карту Северного полушария под маятником Фуко.
П. Н. Филонов также выполнил работы по реставрации витража и малахитовых колонн иконостаса: в одиннадцати местах утрат малахитовой облицовки им была выполнена роспись зелёной краской по гипсу.

Г. С. Артеьмев возглавлял музей более двух лет, решая в первую очередь хозяйственные вопросы. При нем в соборе была восстановлена должность главного архитектора, приведены в порядок подвальные помещения, очищена копоть со стен.

В марте–апреле 1935 года была восстановлена должность главного архитектора, на нее назначен ранее ее занимавший Н. П. Никитин. Вместе с архитектором А. П. Удаленковым он стоял у истоков музеефикации Исаакиевского собора, занимался реставрацией собора, хорошо знал все его конструктивные особенности и проблемы.

Учитывая художественную ценность памятника, постановлением ВЦИК от 20.03.1935 года Исаакиевский собор был отнесён к категории памятников истории, культуры и искусства. Фактически это было подтверждение и уточнение статуса памятника, которое собор имел, находясь ранее в ведении Наркомпроса.

В год 150-летия со дня рождения Огюста Монферрана в музее, наряду с выставками антирелигиозного содержания, была открыта выставка, на которой экспонировался альбом архитектора и другие материалы, повествующие о ходе строительства собора.

В марте 1937 года состоялась сессия Ленинградского музейного совета при участии представителей музейного отдела Наркомпроса, посвящённая работе Государственного Антирелигиозного музея (бывшего Исаакиевского собора).
В отчёте заседания совета отмечено: «наконец через шесть лет существования музея определён его правильный профиль, который соответствует интересам музейного строительства на данном этапе. Музей должен стать музеем-памятником. Объектом его изучения и экспонирования должен быть сам Исаакиевский собор, его конструктивные и художественные детали».
Далее указывалось, что «музей должен показывать строительство собора, его архитектуру, художественные произведения и вести антирелигиозную работу на материалах художественного оформления».
После утверждения нового профиля, начиная уже с 1937 года, в официальном документообороте вместо наименования «Государственного антирелигиозного музея (б. Исаакиевского собора)» постепенно исчезает его определение как антирелигиозного и всё чаще используется наименование «Государственный музей (б. Исаакиевский собор)», хотя официальное название оставалось прежним – ГАМ.

Распоряжением Ленсовета РК и КД утверждено «Положение о государственном музее бывшем Исаакиевском соборе» – первый законодательно оформленный документ, определявший статус музея как самостоятельного юридического лица, его права и обязанности.
В соответствии с рекомендациями Ленинградского музейного совета, состоявшегося 1 марта 1937 года, музей из ведения Главнауки был передан в систему отдела культурно-просветительной работы Ленгорисполкома со следующим профилем: «Государственный Антирелигиозный музей (бывший Исаакиевский собор) является Государственным музеем-памятником. Объектом его изучения и показа должен быть сам Исаакиевский собор как художественный и исторический памятник».
Отдел Культпросветработы осуществлял общий контроль в руководстве музея, назначая директора, главного бухгалтера и замдиректора. Управление музеем осуществлялось непосредственно директором музея.

Под руководством И. М. Штрейхера Государственный Антирелигиозный музей участвовал в соцсоревнованиях, занимал почётные места, получал грамоты, в очередной раз была учреждена постоянно действующая художественно-техническая комиссия для решения вопросов, связанных с осадкой здания, и проведения капитальных работ по реставрации; перестроена экспозиция музея, налажена научно-методическая работа.

После смены профиля была поставлена задача создания новой экспозиции. Это повлекло изменение в структуре научной части музея. Было создано два новых отдела: отдел, в задачи которого входило изучение истории строительства трёх церквей-предшественниц, и отдел по изучению истории проектирования и строительства самого Исаакиевского собора.
Экспозиция была разделена на две части: «Исаакиевский собор как архитектурно-художественный памятник» и «Исаакиевский собор на службе эксплуататоров (антинародная и антисоветская деятельность духовенства собора)».
Предполагалось освещение следующих тем:
– предшественники Исаакиевского собора в Петербурге;
– история строительства Исаакиевского собора, труд и быт рабочих;
– строительная техника Исаакиевского собора;
– архитектура Исаакиевского собора;
– скульптура, живопись и мозаика Исаакиевского собора;
– опыт с маятником Фуко;
– Исаакиевский собор на службе у самодержавия;
– Исаакиевский собор в борьбе против революционного движения в России во второй половине XIX века;
– Исаакиевский собор в период революции.

Фактические изменения экспозиции и экскурсионной деятельности были прерваны Великой Отечественной войной, и только после её окончания процесс был завершён.

С 1938 по 1940 год в музее проходила генеральная инвентаризация музейных ценностей.
В процессе инвентаризации было зарегистрировано свыше 4 тысяч музейных предметов и 1,5 тысяч экземпляров книжных изданий. Среди них имелось немало уникальных вещей – старинных гравюр, лубков; облачений, икон, предметов церковной утвари; около 200 экземпляров книг и рукописей, относящихся к XVII–XVIII вв.
Одновременно с инвентаризацией была налажена система учёта музейных предметов.

В результате генеральной инвентаризации значительная часть экспонатов была передана в музеи Ленинграда, остальные – в многочисленные областные, в основном, краеведческие музеи страны. Это было обусловлено в первую очередь новым профилем музея. Состав музейных экспонатов не соответствовал новому профилю музея-памятника: значительная их часть, будучи предметами декоративно-прикладного искусства, являлась богослужебными. Нередким случаем была и передача подобных предметов в действующие храмы.

С развитием научной и просветительской деятельности в музее был открыт собственный издательский отдел, занимавшийся подготовкой к публикации научных статей, брошюр, буклетов, открыток.
В этот период были выпущены брошюры научных сотрудников: Е. И. Востокова «Опыт Фуко» и «Церковники Исаакиевского собора в борьбе против народа»; В. А. Беляева «Государственный антирелигиозный музей – бывший Исаакиевский собор». Вышел в свет первый научный сборник «Сборник статей и материалов Государственного антирелигиозного музея – бывшего Исаакиевского собора».