Памятник представляет собой 6-метровую конную статую Николая I, стоящую на пьедестале. Император изображён в парадном мундире Лейб-гвардии Конного полка. Конной натурой послужил любимый жеребец государя Амалатбек. Пьедестал памятника работы Огюста Монферрана имеет эллиптическую форму и изготовлен из малинового карельского шокшинского кварцита и белого итальянского мрамора. Цоколь выполнен из серого сердобольского гранита.
Пьедестал памятника украшают четыре аллегорические женские фигуры работы Р. К. Залемана, олицетворяющие «Силу», «Мудрость», «Правосудие» и «Веру». Головы фигур являются портретными изображениями императрицы Александры Фёдоровны и дочерей Николая I — Марии, Александры и Ольги. Между двумя первыми статуями находится бронзовый позолоченный государственный герб, под которым расположена надпись: «Николаю I — Императору Всероссийскому. 1859-й». Первоначально памятник не имел ограды, она была установлена позже.
Четыре барельефа, расположенные на постаменте, рассказывают о знаковых событиях правления Николая I.
— Барельеф «Восстание декабристов в 1825 году».
— Барельеф «Холерный бунт 1831 года на Сенной площади».
— Барельеф «Награждение М.М. Сперанского, собравшего и издавшего в 1832 году «Свод законов Российской Империи»».
— Барельеф «Открытие императором Веребьинского моста Петербург-Московской железной дороги в 1851 году».
Памятник Николаю I был установлен в 1859 году. За работу взялся известный скульптор П.К. Клодт. Автором проекта был архитектор Огюст Монферран. На сооружение памятника было потрачено 753 000 рублей серебром. На отливку статуи ушло около 1300 пудов (21.3 тонны) металла.
Для своего времени памятник считался техническим чудом: это была первая в Европе конная статуя, поставленная на две точки опоры. После Октябрьской революции неоднократно поднимался вопрос о сносе памятника, но благодаря своей уникальной особенности он был признан шедевром инженерной мысли и не был уничтожен в советское время. Была демонтирована в 1930-е годы лишь окружающая памятник ограда. В 1992 году ограда воссоздана.