Наземный вестибюль станции выполнен круглым в плане, с небольшим куполом, по проекту архитекторов В.Г.Гельфрейха и И.Е.Рожина. Вход и выход пассажиров осуществляется по окружности вестибюля. Свод эскалаторного зала украшает мозаика по эскизу художника А.А.Дейнека «Парад физкультурников». Над проходами расположены медальоны с изображением рельефных фигур. Они олицетворяют собой архитектуру, живопись, скульптуру, науку и технику. Автор рельефов Г.И.Мотовилов.

Сама станция очень насыщена архитектурным оформлением, и это замечает любой, кто побывал на Новокузнецкой. Она выполнена по довоенному проекту, и является одной из немногих, все-таки похожих на свой эскиз. Авторы этого произведения искусства — архитекторы И.Г.Таранов и Н.А.Быкова. Сразу обращает на себя внимание необычайно красивый свод среднего зала. Он украшен лепниной по аналогии с лепным декором свода гробницы Валериев — мистическая древнеримская тематика была адаптирована к советской символике: лепнина содержала звезды и серпы с молотами. Главное украшение свода — это шесть красивейших мозаичных панно, выполненных по эскизам А.А.Дейнеки, выполненных академиком В.А.Фроловым. Интересна судьба этих панно — об этом читайте в описании Павелецкой-радиальной. Плафоны с панно из смальты были размещены на потолке среднего зала под торшерами. Эти торшеры изначально присутствовали в проекте, а не предназначались исключительно для освещения мозаичных плафонов.

К сожалению, седьмой мозаичный плафон, ближайший к эскалатору, не сохранился до нашего времени. Он был демонтирован при установке гермозатвора в конце 1950-х годов. Вот как описывает его художник А.В.Виннер в книге «Материалы и техника мозаичной живописи»: «Три шахтера, возвращающиеся с работы в шахте. Фигуры шахтеров даны на фоне пепельно-сиреневого неба и шахтных вышек с развевающимися на них алыми флагами. Автор дает фигуры в виде фронтального шествия, направляющихся от зрителя».

Cт. Новокузнецкая. Мозаичное панно в торце центрального зала: первоначальный и современный вариант

Ст. Новокузнецкая. Картуш центрального зала «Слава героическим защитникам города Сталинграда»

Пилоны станции оставлены округленными, а проходы между ними обработаны вертикальными порталами — получившиеся углубления использованы для установки мраморных диванов. Очень красиво выполнены прекрасные «коврики» перед диванами и возле торшеров — посетитель может чувствовать себя уютно как дома. Смешивание в отделке пола мрамора и гранита, имеющих разный коэффициент истирания, привели к появлению «рельефа», что предсказывали критики станции. Интересна легенда о том, что скамейки Новокузнецкой это немногое, что осталось от взорванного храма Христа Спасителя, их вывезли оттуда незадолго до взрыва. Кто-то утверждает, что они сделаны из церковного мрамора. На самом деле, вряд ли это соответствует действительности, так как рисунки диванов выполнялись архитекторами при разработке проекта станции.

Свод станции у основания обрамлен скульптурными фризами на тему Великой Отечественной войны (автор С.Л.Рабинович). На пилонах в центральном зале размещены картуши, прославляющие города-Герои, а со стороны платформ расположены аналогичные щиты с изображением русских полководцев, перечисленных в речи Сталина.

Торец центрального зала был оформлен огромным панно, выполненным из мраморной мозаики по эскизам художника Б.В.Покровского на тему «Фронт и тыл страны Советов в дни войны». Стоит отметить, что это одна из первых советских флорентийских мозаик. На ней изображен народ на фоне Москвы и знамен с изображением профиля Сталина. В 1960-х Сталина заменили Лениным. В 1970 году центральный зал станции удлинили — новые проходы с пилонами заметно отличаются от старых, упрощенные, без украшений в стиле первоначальной Новокузнецкой. Панно было перенесено на площадку перехода.

1. Мозаичный плафон в центральном зале. Демонтирован при установке гермозатвора.

2. Изображение И.В.Сталина в мраморном панно. Сталина заменили Лениным в начале 60-х годов. Позже панно перенесли на площадку перехода при удлинении станции.

3. Светильники в проходах между пилонов, они располагались в потолке, в центре лепной окружности. Люстра и торшер в центральном зале рядом с эскалатором.

Станция была открыта также во время Великой Отечественной войны, а именно 20 ноября 1943 года. Именно война повлияла на внешний вид станции, не позволившей ей стать такой богатой на панно или барельефы.

Доработка и отделка станции велись уже на действующем участке Новокузнецкая — Завод им. Сталина.

После конкурса проектов станций Третьей очереди за проектирование станции Павелецкая взялись архитекторы В.А и А. А.Веснины. Темой оформления они выбрали Донбасс — этому послужила близость станции к Павелецкому вокзалу, откуда отправляются поезда до Донецка. Станцию также предлагалось назвать «Донбасской». Проект станции был несколько похож на Маяковскую (те же колонны при глубоком заложении), и Веснины решили использовать смальтовую мозаику на своде центрального зала. Всего на станции предполагалось разместить 14 мозаик восьмигранной формы, 3 метра по диагонали.

Для выполнения эскизов мозаичных плафонов Веснины обратились к Дейнеке. В проекте Павелецкой мозаики должны были размещаться прямо на своде, без углублений и куполов, что позволяло рассматривать их издалека, а также, по сравнению с Маяковской, размер плафонов был больше. Тема мозаик была задана проектным названием станции, она называлась «Донбасс — Всесоюзная кочегарка». Через некоторое время эскизы были закончены. Они были сделаны в том же стиле, как и на Маяковской — пассажир как бы «подсматривал» за происходящим на земле и видел всё происходившее снизу, как из окна в потолке.

Вскоре началась война, набор мозаик происходил в блокадном Ленинграде в мастерской В.Фролова. В 1942 году мозаики были доделаны и отправлены в Москву. Дейнека на заводском дворе заливал восьмигранники, чтобы сделать прочное основание для мозаик. Из-за регулярных бомбежек администрация приказала срочно убрать мозаики со двора, т. к. «они могут привлечь внимание своим золотым отражением». Залитые в цемент мозаики были опущены краном в ямы для временного хранения.

Тем временем металлоконструкции, предназначенные для Павелецкой, попали на временно оккупированную территорию. Проект станции пришлось срочно менять и делать ее без центрального зала — двухсводчатой (проект А.Н.Душкина и Н.С.Князева). Мозаики становились ненужными. И.Г.Таранов, архитектор Новокузнецкой, узнав об этом, решил установить мозаики на своей станции. Из-за относительно небольшой длины центрального зала Новокузнецкой на своде удалось разместить 7 восьмигранных мозаик и еще одну — «Парад физкультурников» установили в наземном вестибюле. Остальные мозаики так и продолжали лежать в земле, и их дальнейшая судьба неизвестна. На утраченных мозаиках были изображены композиции: «Танец», «Футбол», «Заводы».

В результате станция Павелецкая получилась лондонского типа: пассажир после эскалатора попадает в небольшой зал, из которого существует пара проходов на платформы. Это, конечно, была мера вынужденная и временная, но так как у нас в стране нет ничего более постоянного, чем временное, да и открывать бедную на архитектуру станцию не могли — была сооружена красивая станция. Черный цоколь, скамьи из красного дерева, стены вдоль платформ украсили барельефами на военную тему «Связь фронта и тыла» (скульптор И.С.Ефимов). На барельефах были изображены: девушка, делающая ручные гранаты, рабочий у станка, моряк около торпедного аппарата, водитель танка, летчик.