Параллельно с работой в Строительном комитете Мельников продолжал участвовать в конкурсах, которые проводила Академия художеств по поручению различных правительственных органов. Так, в 1821 году Академии было предложено разработать для Москвы проект нового Петровского (Большого) театра взамен сгоревшего. Особенность программы этого конкурса заключалась в том, что она предусматривала значительное градостроительное мероприятие: создание площади с театром в центре Москвы. В феврале 1821  года в Москву были отправлены проекты, исполненные А. И. Мельниковым, В. И. Беретти и Михайловым 2-м. Как известно, лучшим из них был признан проект Михайлова, который был осуществлен с небольшими доработками Бове. Проект Мельникова по этому конкурсу не выявлен.

О другой крупной работе Мельникова, также связанной с Академией художеств, нам известно больше. В 1821 году архитектор в числе ведущих русских зодчих вошел в комитет, созданный при Академии для рассмотрения монферрановского проекта Исаакиевского собора. Проектирование и строительство этого громадного здания наглядно отразило высокий уровень русской архитектурно- и инженерно-технической мысли первой половины XIX века. Для выяснения роли Мельникова необходимо напомнить кратко основные факты истории сооружения собора, основательно исследованные советскими учеными.

В 1768 году началось строительство нового здания собора по проекту А. Ринальди взамен старой небольшой Исаакиевской церкви, возведенной в начале XVIII века Г. Матарнови. Но проект Ринальди не был осуществлен полностью, и в 1790-х годах здание было наскоро закончено по проекту В. Бренна. В 1806 году встал вопрос о перестройке собора соответственно его важному местоположению в центральном районе города. Разработанная проектная программа не была осуществлена, и только после окончания Отечественной войны 1812 года вновь был поднят вопрос о перестройке собора с использованием конструкции существовавшего здания.