Первые участки Миусской площади в виде прямоугольных кварталов были отданы для сооружения храма Александра Невского и Промышленного училища (в настоящее время Московский химико-технологический институт имени Д.И. Менделеева). Первоначальный проект собора был составлен архитектором А.А. Латковым, но так как в основу плана был принят круг, церковные власти его отвергли как не канонический. В 1890 г. известным архитектором Александром Никаноровичем Померанцевым, профессором Императорской Академии художеств, был предложен проект собора, который он разработал, используя рисунок художника В.М. Васнецова. В 1900 г. А.Н. Померанцев представил второй проект храма Александра Невского, менее дорогой в исполнении. Этот вариант и был принят.
По проекту собор Александра Невского должен был стать вторым по размерам после храма Христа Спасителя, высотой около сорока пяти метров и квадратный в плане. Фасады завершались закомарами, с востока он имел семь алтарных апсид, так что казалось, что храм семинефный, что не соответствовало внутреннему пространству. Оно должно было быть единым и грандиозным. Огромный, сложной конструкции свод опирался только на стены и не имел внутренних опор. Вдоль южной и северной стен внутри шли галереи с аркадами, над которыми располагались хоры по образцу древних византийских храмов, в частности Святой Софии в Константинополе. Архитектурный стиль, в котором проектировался собор, был древнерусским, но в нем были элементы византийской и даже средневековой итальянской архитектуры. Число куполов предполагалось самое большое из всех русских храмов – двадцать один. В центре помещался главный купол с самым высоким и широким барабаном. Вокруг него на стороны света – четыре купола поменьше. По диагонали здания еще четыре, чуть меньше предыдущих. Всего девять больших куполов. По краям здания, между закамарами располагалось тринадцать небольших маковок на тонких шеях. Предполагалось строить собор из современных материалов: бетона и цемента в сочетании с кирпичом, а облицовывать камнем. Новые материалы давали возможности создать столь сложную конструкцию завершения храма, построить его быстро и дешево, и получить при этом грандиозный и эффектный собор.
К сожалению, собранных денег было недостаточно, поэтому строительство откладывалось.
Митрополит Московский Владимир (Богоявленский) освятил место закладки собора только в 1904 г. Строительство началось 22 сентября 1913 г. Такое промедление оказалось роковым, так как начало войны в 1914 г. замедлило темпы возведения собора. К 1915 г. основной объем храма без куполов и детальной отделки был закончен. Архитектор А.Н. Померанцев считал возведение собора, посвященного его святому покровителю, делом всей своей жизни, стремился ускорить работы, даже передал свои сбережения на строительство.
К октябрю 1917 г. огромный храм выглядел почти законченным, за исключением нескольких глав