Если авторы перестроек и реконструкций точно воспроизвели оригинал, как утверждают источники, то высота собора внутри до шелыги сводов составляла 6,3 м, высота барабана – 2,8 м, диаметр по наружному обмеру – 5,6 м. Линия иконостаса проходила по западной грани восточных столбов, во всю ширину собора. После большого пожара в Кремле в 1554 г. и Новгородского похода царя Ивана IV Васильевича Грозного в 1570 г. облик собора, как полагают исследователи, претерпел последние изменения. В восточной части на одной линии с алтарём появились небольшие приделы (6,5×6 м), каждый с двойной апсидой, с окнами в них, самостоятельными портальными входами, смещёнными от центральных осей, и узкими окнами в боковых стенах и рядом со входом для освещения церквей: с северной стороны – во имя Трёх Вселенских святителей, с южной – во имя святых Гурия, Самона и Авива (придел с таким посвящением есть в соборе Святой Софии в Великом Новгороде). Исследователи полагают, что тогда же была построена крытая галерея или притвор вдоль южного фасада как продолжение юго-восточного придела. По мнению А.Л. Баталова, указанные пристройки могли появиться у храма уже в 1526/1527 г. «На... схемах Кремля... собор показан в его позднейших очертаниях: почти квадратным в плане (23×19 м, без северного придела), с пристройками и с характерным выступом в северо-восточном углу на месте придела Трёх святителей». В XVII в. собор стал фактически приходской церковью дворцовых служащих, для которых специально совершалось раннее богослужение. Тогда же окружавший собор двор получил название «Сытный» по находившемуся по соседству Сытному дворцу, располагавшемуся под теремами и Набережными и Приёмными палатами древней княжеской резиденции. После перенесения столицы в Санкт-Петербург собор постепенно приходил в упадок, но без внимания властей не оставался. В первой трети XVIII в. церковь находилась в сравнительно ветхом состоянии: «Крыта медью, сквозь которой кровли лес попрос». При императрице Анне Иоанновне была восстановлена сгоревшая в 1737 г. крыша. Во всех вариантах проекта Большого Кремлёвского дворца, разрабатывавшихся с 1767 г. Василием Ивановичем Баженовым по заказу императрицы Екатерины II, собор органически вписывался в структуру юго-западного двора в качестве внутреннего композиционного центра, близкого к центру геометрическому и расположенному на одной с ним оси по широте. Существует предположение, что к концу XVIII в. обветшавший храм был разобран и под наблюдением архитектора Матфея Фёдоровича Казакова сложен заново из кирпича с сохранением форм XVI в., но с учётом изменений XVII в. (обращалось внимание на отсутствие графических документов работы команды М.Ф. Казакова). Исследователи полагают, что обнаружение при частичном ремонте притвора в 1836 г. древних каменных гробниц указывает на то, что белокаменный фундамент собора был сохранён, а значит, не подверглось изменениям общее плановое решение строения. Ф.Ф. Рихтер провёл исследования и выявил три строительных периода в истории храма. Затем он разобрал поздние пристройки, восстановил первоначальное завершение храма, вернул окнам древнюю форму.