La pianta della cattedrale a ogni modo rivela delle influenze medievali. Come la maggior parte delle grandi cattedrali medievali del Regno Unito come quelle di York e Winchester, quella di Saint Paul è particolarmente lunga e dispone di transetti che si proiettano all'esterno come nei progetti gotici. Essa presenta inoltre le due tipiche torri in facciata che, per quanto di stile barocco, richiamano ovviamente lo stile di costruzione medievale. Lo zio di Wren, Matthew Wren, era stato vescovo di Ely, e lo stesso architetto, avendo lavorato per suo zio, aveva avuto modo di studiare a fondo quella cattedrale, traendone probabilmente ispirazione.

 

Nel disegnare Saint Paul, Christopher Wren fece molti cambiamenti al progetto. Egli dovette creare una cattedrale adeguata a rimpiazzare la Vecchia Saint Paul, come luogo di culto ma anche come punto di riferimento per la città di Londra. Egli dovette soddisfare le richieste della chiesa e il gusto dei reali patroni, come pure rispettare le tradizioni medievali essenziali della chiesa inglese che erano poi funzionali alla liturgia interna. Wren aveva studiato sia l'architettura rinascimentale sia quella barocca a lui contemporanea in Italia e aveva visitato la Francia dove aveva studiato le opere di François Mansart.

 

Il disegno che Wren sviluppò s'imperniò su cinque fasi fondamentali. Della prima abbiamo un unico disegno e parte di un modello. Lo schema (solitamente definito First Model Design) sembra presentare una cupola circolare vestibolata (probabilmente ispirata al Pantheon di Roma) e una chiesa di forma basilicale rettangolare. La pianta venne forse ispirata dalla Temple Church. Il progetto venne rifiutato in quanto non appariva "sufficientemente trionfale". Il secondo disegno di Wren fu a croce greca, ma per il clero non soddisfaceva i requisiti della liturgia anglicana.

 

Il terzo disegno di Wren è quello caratterizzato dal "Great Model" del 1673. Il modello in scala, realizzato in legno di quercia e gesso, costò per l'epoca più di 500 sterline (circa 32 000 sterline attuali) ed era alto 4 metri e lungo 6. Il disegno di questa proposta manteneva lo schema a croce greca, ma estendeva la navata. I critici, come pure il clero, dissero che il progetto si discostava troppo dalle altre chiese inglesi e quindi non assicurava continuità con la tradizione. Un altro problema era costituito dal fatto che esso presentava delle difficoltà di costruzione che impedivano l'apertura al culto della chiesa prima del completamento della cupola. Il Great Model era il disegno preferito di Wren, in quanto egli riteneva che esso riflettesse la bellezza del Rinascimento. Dopo la bocciatura del Great Model, Wren si risolse a non realizzare più altri modelli in scala e a non esporre più i suoi disegni al pubblico, considerando tale pratica una "perdita di tempo e soggetto a troppi giudizi di incompetenti". Il Great Model è ancora oggi presente e si trova all'interno della cattedrale stessa.

 

Il quarto disegno di Wren è noto come il Warrant design perché ricevette l'assenso reale alla ricostruzione. In questo disegno Wren cercò di riconciliare l'architettura gotica, predominante nelle chiese inglesi tradizionali, in una "architettura di miglior maniera". Esso aveva una pianta a croce latina come nelle cattedrali medievali, ma disponeva di un portico classico e di finali di transetti ispirati al lavoro svolto sulla Vecchia Saint Paul da Inigo Jones. Il progetto prevedeva la realizzazione di una doppia cupola con una spirale finale. Vaughan Hart ha suggerito che Wren si sia ispirato in questa alle pagode orientali, come richiamo all'oriente, ovvero all'est, dove il sole sorge, ovviamente ricollegandosi alle conoscenze astronomiche di Wren.

 

Il disegno finale come venne poi costruito differiva sostanzialmente dal Warrant design. Wren ricevette il permesso dal re di apportare dei "cambiamenti ornamentali" al disegno presentato, e Wren ne approfittò notevolmente. Molti di questi cambiamenti vennero apportati poi nel corso dei trent'anni di costruzione della chiesa e i più significativi andarono ovviamente alla cupola: "Realizzò un'altra struttura sulla prima cupola, un cono di mattoni, per supportare la lanterna ... E la coprì con un'altra cupola di piombo; e tra queste vi erano le scale per ascendere alla lanterna" (Christopher Wren, figlio di sir Christopher Wren). Il disegno finale si ispirò fortemente alla Basilica di San Pietro a Roma.

 

La data della posa della prima pietra della cattedrale è disputata. Secondo racconti dell'epoca fu il 21 giugno 1675, secondo altri il 25 giugno e secondo altri ancora il 28 giugno.

 

L’idea di Wren era sin dall’inizio quella di costruire una grande cattedrale per la capitale. L’aspetto inusuale del suo progetto è dato anche dal fatto che la chiesa dispone di una cripta sotterranea che è la più grande d’Europa, estendendosi sotto tutta l’intera struttura. La cripta venne costruita anche con uno scopo strutturale: per quanto vuoto, infatti, metà dello spazio è sostenuto da possenti pilastri che assommano su di loro la maggior parte del peso della chiesa sovrastante. Mentre la maggior parte delle cupole e delle torri delle cattedrali nel mondo sono sostenute da quattro pilastri ciascuna, Wren predispose otto pilastri a sostegno della cupola di Saint Paul, ottenendo così una migliore ripartizione del peso sulle fondamenta.

 

Una delle problematiche più importanti che Wren dovette affrontare fu sicuramente la cupola: come tratto distintivo della cattedrale, doveva essere abbastanza alta da poter rimpiazzare visivamente la torre della vecchia cattedrale ma doveva anche essere piacevolmente visibile dall’interno della struttura. Wren pianificò inizialmente una cupola doppia come nella basilica di San Pietro a Roma. La sua soluzione al problema visuale fu quella di separare le altezze della cupola interna e di quella esterna da una intercapedine notevole, più grande di quanto in avesse fatto lo stesso Michelangelo a San Pietro. Tra la cupola interna e quella esterna Wren inserì un cono di mattoni a supporto di entrambe le strutture, il tutto ornato da una lanterna ornata sulla sommità. Lo spessore del muro del cono è di 45 cm ed è supportato da parti in ferro che si agganciano alla cornice del peristilio per evitarne la rottura.

 

Il Warrant Design mostrava la presenza di contrafforti esterni al pian terreno. Questi non erano elementi classici e furono tra i primi elementi che Wren cambiò, sostituendo tale necessità col rendere le mura della struttura più fini. Le volte vennero invece rinforzate da contrafforti volanti, i quali vennero aggiunti a uno stadio avanzato del progetto per rafforzare la struttura. Questi vennero mascherati dalla presenza di un muro di stile classico appositamente costruito per mantenere una unità stilistica anche all’esterno della cattedrale, ma anche per mantenere salda l’attenzione sulla cupola.