В 1608 – 1610 годах монастырь находился в осаде польско-литовских интервентов. Подвиг защитников обители приобрел широкую известность и способствовал росту авторитета монастыря. При Петре I монастырь по-прежнему сохранял значение царской крепости. В 1689 году во время стрелецкого бунта в Москве царь Петр укрылся за стенами монастыря.
Значительно пострадавшие во время осады, укрепления монастыря в XVII были отремонтированы, а стены надстроены до 12 метров. К этому времени они имели три яруса: нижний, второй и третий. Нижний ярус делился на замкнутые помещения-казематы с бойницами на уровне земли; второй ярус был открыт с внутренней стороны, на нем находились бойницы для стрельбы; третий имел снабженную кровлей галерею, опирающуюся на квадратные зубцы.
Пушки и пищали размещались вдоль бойниц. В крепости имелись запасы пороха, который изготовлялся в монастыре, запасы ядер разного калибра, а также котлы для кипячения смолы и воды на случай осады. В дальнейшем внешний вид крепостных стен и башен неоднократно изменялся.
Возвышающаяся над главным входом Красная ("красивая") башня отличается характерной для фортификации XVI века лаконичностью архитектурных форм. В XVII веке башня была перестроена, но нижняя ее часть, построенная ранее, сохранилась и легко узнаваема. В кладке хорошо заметна граница между облицованным белым камнем древним основанием и краснокирпичными стенами. В XIX веке башня обросла пристройками.
Угловая юго-восточная башня – Пятницкая (рядом с ней располагался небольшой Пятницкий монастырь) занимала важное место в системе оборонительных сооружений. Именно отсюда, с юга, артиллерия интервентов вела бомбардировку крепости, а под башню осаждавшие безуспешно пытались подвести подкоп, чтобы взорвать ее. Декоративное убранство в виде полуколонн относится к XVII веку. Шесть внутренних ярусов использовались для размещения орудий и хранения боеприпасов.
Луковая башня, получившая название от находившегося за стенами монастыря огорода, является единственной башней южного прясла. В XVIII веке ее верх был украшен открытой беседкой, соединенной галереей с Митрополичьим корпусом.
Угловая башня, защищавшая подступы с юго-запада, выходит на пруд и называется Водяная. На случай нападения неприятеля в ней еще в середине XVII века держали 100-ведерный котел для кипятка. Рядом с башней располагались Водяные ворота, снабженные опускающейся решеткой-герсой. Через них защитники крепости во время осады неоднократно устраивали вылазки, и не только с военными целями. Осажденные нуждались в дровах, за которыми смельчаки направлялись в один из оврагов на запад от монастыря. Выходы нередко сопровождались кровопролитными схватками.
Далее от угла на север на высоком склоне холма возвышается Пивная башня, использовавшаяся в хозяйстве монастыря для хранения пива и меда. По соседству с ней расположена Келарская башня, выстроенная в 1643 году как парадные покои для второго после настоятеля лица в монастырской иерархии – келаря, ведавшего обширным троицким хозяйством. В то же время ее возведение значительно усилило оборонную мощь западной стены, замыкаемой на севере Плотничьей башней, которая была вынесена вперед для удобства кругового боя. Названием своим башня обязана находившемуся вблизи нее плотничьему двору – мастерской, принадлежавшей монастырю. Существовало и другое название башни – Оружейная: здесь находился арсенал.
Северную стену защищала Каличья башня. В XVI веке на ее месте располагались Конюшенные ворота, называвшиеся так по стоявшим за ними монастырским конюшням. Современная башня построена по проекту И. Жукова и И. Яковлева на месте разобранной башни из-за ветхости в 1727 году. Тогда же были разобраны и стоявшие рядом с башней кельи оружейного монаха (существовала в монастыре и такая должность), отвечавшего за хранение оружия.
Каличья башня смыкает углом прясло стены, идущее от Плотничьей башни к Звонковой. Археологические раскопки обнаружили между ними остатки Соляной башни, существовавшей до середины XVII века. За нею находился соляной двор, где хранился этот весьма дорогостоящий в древности продукт, добываемый в собственных монастырских соляных варницах на севере России.
Далее на восток на изломе стен стоит Звонковая башня, украшенная пилястрами и декоративными арками. Висевший на башне колокол своим звоном приглашал к началу занятий студентов Троицкой семинарии. Раньше она носила название Кузнечной по стоявшей за ней кузнице.
Северо-восточный угол стены защищала Уточья башня. Согласно преданию, Петр I стрелял с этой башни уток на соседнем пруду. Исключительно красиво декоративное убранство башни, венчаемой четырехъярусной ажурной башенкой со шлемом. Исследователями установлено, что прототипом такого оригинального решения послужило завершение ратуши голландского города Маастрихта, – это легко объясняется оживленными культурными связями России и Голландии на рубеже XVII-XVIII веков. Прежнее название башни, Житничья, было дано по находившемуся вблизи житному двору, хранилищу хлебных припасов.