В 1799 г. по приказу Павла I был проведен конкурс на проект Казанского собора в Петербурге – взамен старой церкви. Павел желал иметь собор наподобие собора Святого Петра в Риме, то есть храмовый корпус с симметрично расходящейся открытой колоннадой. Свои проекты представили Воронихин, Тома де Томон, Ч. Камерон и П. Гонзаго. Победил проект Воронихина, утвержденный в конце 1800 г. В 1801 г. началось строительство, продолжавшееся десять лет – собор был освящен только в 1811 г.

Собор имеет в плане форму латинского креста. Алтарная часть по традиции выходит на восток. На Невский проспект обращен северный фасад собора, к которому примыкает грандиозная колоннада из 96 поставленных в четыре ряда коринфских колонн. Она охватывает широкую полуциркульную площадь перед собором. Крылья колоннады замыкаются монументальными порталами, решенными как сквозные проезды. Архитектор запланировал такую же колоннаду на южном фасаде, но ее строительство не было осуществлено. Перед западным портиком, где находился главный вход, – небольшая полукруглая площадь, окруженная высокой металлической решеткой, выполненной по проекту Воронихина. Собор увенчан высоким барабаном и металлическим куполом диаметром около 17 м.

Как главный строитель Казанского собора Воронихин в 1800 г. получил от Академии художеств звание архитектора и одновременно начал преподавательскую деятельность; в 1802 г. он стал профессором архитектуры, а с 1811 г., после смерти А. Захарова, – старшим профессором Академии художеств.

Следующим значительным произведением Воронихина является здание Горного института, сооружение которого велось в 1806–1809 гг. параллельно со строительством Казанского собора. По времени основания (1773 г.) это было первое в России высшее техническое учебное заведение.

Воронихину предстояло перестроить несколько небольших домов, расположенных на изгибе северного берега Невы. Не ломая стен, не меняя высоты и даже сохранив дворовые фасады, архитектор объединил пять домов в одно монументальное сооружение; заново был построен только небольшой корпус, выходящий на 21-ю линию. Появилась новая линия фасада с откинутыми назад крыльями и выдвинутой вперед средней частью с 12-колонным греко-дорическим портиком. Главный фасад Горного института обращен к Неве. По сторонам лестницы портика на невысоких постаментах стоят скульптурные группы «Похищение Прозерпины» и «Геркулес, удушающий Антея».

Воронихин представлял свой проект на конкурс по перестройке Исаакиевского собора, а также участвовал вместе с Тома де Томоном в конкурсе проектов фонтанов вдоль дороги из Петербурга в Царское Село. Один его проект был утвержден – фонтан на склоне Пулковской горы. Фонтан решен в виде грота, устроенного в склоне, со стороны дороги оформлен двумя дорическими колоннами, возле которых лежат гранитные львы.

В 1811 г. создатель Казанского собора был награжден орденом Святого Владимира 4-й степени, дававшим право на потомственное дворянство, а после освящения собора «пожалован кавалером ордена Святой Анны 2 класса, украшенным бриллиантами, а также пенсиею».

Работал Воронихин и в пригородах Петербурга. В Петергофе он построил «Воронихинские колоннады» по обеим сторонам Самсонова канала (1800–1803); в Павловске вел реставрационные работы во дворце после пожара 1803 г., создал Висконтиев мост (1807), Пиль-мост (1808), «Розовый павильон» (1811–1812, не сохранился); в Стрельне занимался работами по перестройке дворца и созданию различных парковых сооружений. Кроме того, Воронихин многого достиг в области прикладного искусства: созданные по его проектам вазы, осветительные приборы, мебель органично сочетаются с архитектурой.