Wie die zweite Sinfonie und das dritte Klavierkonzert ist die Cellosonate ausladend konzipiert. Die beiden Ecksätze sind in Sonatenform gehalten. Der erste (Lento. Allegro moderato) hat eine grüblerische langsame Einleitung und ein zweites Thema von leidenschaftlicher Schönheit. Es folgt das stürmische Scherzo (Allegro scherzando, c-Moll, 12/8), zweimal unterbrochen von seinem herrlich lyrischen Trio. Im Zentrum des Werks steht das sangliche Andante (Es-Dur, 4/4), das zwischen lichten und dunklen Momenten changiert; nach einer mächtigen Verbreite-
rung wird der Klang stark zurückgenommen und ätherisch ausgedünnt; auch die Schlussbildung ist von großer Zartheit. Das Finale (G-Dur, 4/4) beginnt ganz unbeschwert, wird aber von dem lieblichen zweiten Thema in eine andere Richtung gelenkt, und es gibt eine längere wechselvolle Durchführung, bevor das Hauptthema wiederkehrt. Der Cellopart bleibt weitgehend auf das sangliche Element beschränkt, während die Dramatik meist im brillanten Klavierpart liegt. Rachmaninow arbeitete noch weiter an dem Werk und fügte im Finale die schwungvolle Coda hinzu. Die Sonate wurde am 12. Dezember vollendet und im folgenden März veröffentlicht. Er spielte die Uraufführung selbst mit Brandukow – einem seiner Trauzeugen – am 15. Dezember 1901 in Moskau. Später hat Rachmaninow seine Sonate noch mehrmals mit Brandukow, 1919 auch mit Pablo Casals gespielt.