До начала XVIII в. все постройки Киевского Златоверхого монастыря, кроме собора, оставались деревянными. На плане Киева Ивана Ушакова 1695 г. в западной части монастырской территории изображены деревянные двухъярусная колокольня и кельи, ограда. На средства генерального судьи Михаила Вуяхевича с северной стороны к Михайловскому собору был пристроен каменный низкий придел во имя великомученицы Варвары и перестроены купола. Улучшение благосостояния Киевского Златоверхого монастыря позволило в 1650 гг. отремонтировать Михайловский собор: вместо деревянной укрепить железную кровлю, на средства гетмана Богдана Хмельницкого главный купол покрыть медью и позолотить. В 1718 г. на средства гетмана Ивана Скоропадского был сооружён резной пятиярусный иконостас Михайловского собора, один из богатейших в Киеве. В 1746 (?) г. архимандрит Сильвестр IV (Думинский (Думневич)) доносил Киевскому  митрополиту Рафаилу (Заборовскому), что Михайловская церковь обветшала и «во многих местах поразседалася». Назначенная митрополитом комиссия обнаружила, что в алтарной стене образовалась щель, «от горнего места до арки, при которой стоит иконостас»; стены, отделяющие храм от приделов, «наклонились», в них также образовались большие щели. Купол раскололся на четыре части и грозил обрушением; в западном своде и западных куполах тоже зияли щели и трещины. Фундаменты приделов, заложенные при первой кладке «мелко», осели; новые стены приделов отошли от стен главного храма как на восток, так и на запад. Во временно запечатанном храме были устроены контрфорсы у северной, западной и южной стен, по четыре с каждой стороны, перестроены своды древнего храма и купол. Между контрфорсами выведены каменные палатки для устройства ризницы, хранения свечей и других церковных принадлежностей. Около 1713 г. на средства киевского генерал-губернатора Дмитрия Михайловича Голицына в соборе был перестроен северный придел великомученицы Варвары, стены которого были расписаны в 1818 г. Д.М. Голицын заказал для Варваринского придела деревянный резной иконостас и деревянный балдахин над ракой с мощами великомученицы Варвары. В 1877 г., при епископе Порфирии (Успенском), на средства московского купца В. Зенина был построен новый трёхъярусный позолоченный иконостас. В 1731 г., как полагают исследователи, на пожертвования императора Петра I и его супруги Екатерины, с южной стороны Михайловского собора симметрично Варваринскому был пристроен придел во имя великомученицы Екатерины. В трёхъярусном иконостасе имелись иконы великомучениц Екатерины и Варвары в серебряных ризах. Для освещения собора между основным объёмом и приделами были вырезаны широкие арки. В 1820 г. на средства иеромонаха Иеронима стены Екатерининского придела были расписаны сценами из Апокалипсиса; в 1888 г. росписи «возобновлены». В 1888 г. в Михайловском соборе была проведена масштабная реконструкция: по инициативе епископа Чигиринского Иеронима (Экземплярского) «возобновлены» некоторые настенные росписи XVIII в., в основном объёме храма настелен дубовый паркет, а в алтаре и на солее – мраморный пол (вместо прежних чугунных плит), с западной стороны сделаны пристройки для установки калориферного отопления, ко всем входам пристроены мраморные тамбуры.