Памятник выполнен в стиле позднего классицизма и представляет собой бронзовую скульптуру на цилиндрическом постаменте. Постамент изготовлен из розового полированного гранита с серыми вкраплениями, имеет высокий цоколь и профилированный карниз. На его лицевой (южной) стороне выгравирована надпись «ЛОМОНОСОВЪ 1829 ГОДА», а на тыльной, «ПЕРЕНЕСЕН 1867 ГОДА, и 1930 г.». Постамент установлен на двухступенчатом пьедестале из серых гранитных блоков. Памятник состоит из двух фигур: стоящего Ломоносова в римской тоге и обнажённого крылатого гения, подающего ему лиру и опустившегося на левое колено. Обе фигуры расположены на выпуклом полусферическом основании, символизирующем северную часть земного шара. На лире вырезаны буквы Е и П, вензель императрицы Елизаветы Петровны. На основании имеются надписи: с тыльной части памятника, «ПРОИЗВОДИТЕЛЬ Г. ДѢИСТВ. СТАТ. СОВѢТ. И. П. МАРТОСЪ ЛѢТА 1829 ГОДА», с лицевой стороны, «ХОЛМОГОРЫ». Памятник М. В. Ломоносову был включён в Список памятников искусства, подлежащих охране как памятники государственного значения, по постановлению Совета Министров РСФСР от 30 августа 1960 года № 1327.

Проект памятника Михаилу Ломоносову был инициирован в 1825 году епископом Архангельским и Холмогорским Неофитом (Докучаевым) и поддержан архангельским генерал-губернатором адмиралом С. И. Миницковым. Они собрали по подписке в Архангельске более 2 тыс. рублей (в том числе Миницков пожертвовал 200 руб.), но, понимая, что этого недостаточно, обратились через министра народного просвещения А. С. Шишкова к императору Александру I с просьбой о проведении всероссийской подписки. В марте 1825 года император одобрил инициативу, и объявление о подписке появилось в «Санкт-Петербургских ведомостях».

На создание памятника Ломоносову пожертвования внесли Императорская академия наук (1000 руб.), чины 2-й армии графа Витгенштейна (1000 руб.), чины корпуса внутренней стражи (1584 руб.), чины морского ведомства (897 руб.), чины Казанского учебного округа (876 руб.), чины Санкт-Петербургского университета (200 руб.), графы Д. И. Хвостов (3345 руб.), С. И. Воронцов (2000 руб.), Н. С. Мордвинов (200 руб.), В. Г. Орлов (500 руб.), Н. П. Румянцев (500 руб.), С. П. Румянцев (300 руб.), Д. Н. Шереметев (300 руб.), С. С. Уваров (200 руб.), князья С. М. Голицын (200 руб.), Д. В. Голицын (100 руб.), Ю. В. Долгоруков (100 руб.), московский предводитель дворянства П. Х. Обольянинов (100 руб.), генерал-адъютанты В. В. Левашов (100 руб.), И. Ф. Паскевич (100 руб.) и А. А. Закревский (100 руб.), митрополит Киевский Евгений (545 руб.), епископ Харьковский Виталий (300 руб.), Санкт-Петербургское купечество (1000 руб.), архангельские купцы Амосов, Брант и Грель (600 руб.), Архангельское мещанское общество (300 руб.) и простые мещане, крестьяне, купцы и священники. Внучка Ломоносова, Софья Алексеевна Раевская, прислала тысячу рублей, но по её просьбе это пожертвование было указано как пришедшее «от неизвестной знатной особы». Самое крупное пожертвование, 5000 рублей, сделал Николай I. Подписка, длившаяся десять лет до 1835 года, собрала в общей сложности 53 395 рублей 3,5 копейки. Значительный вклад в организацию подписки и сооружение памятника внёс поэт и сановник Д. И. Хвостов, который привлекал жертвователей из высшего общества Петербурга и помогал преодолевать бюрократические препятствия.