Во время строительства Нового Херсонеса были проведены работы по внутреннему и внешнему благоустройству собора. Храму был возвращён его внешний облик конца XIX — начала XX века. Интерьер был полностью отреставрирован, а фрески пересозданы в технике мозаики, отличающейся большей долговечностью.

Был полностью реновирован нижний храм, который не завершили в XIX веке. В центре была помещена купель. При его реконструкции акцент сделали на руины византийской базилики, над которой возведён собор. Раньше древние руины были перекрыты, — нельзя было увидеть ни алтарь, ни боковые части, и не все знали, что там частично сохранилась византийская церковь. Чтобы визуально подчеркнуть древний храм, внутри его контуров сделали мозаичные полы в византийском стиле, был полностью открыт алтарь.