Чертеж 1600-х годов изображает Спасский собор в виде одноглавого храма с тремя апсидами; с севера к нему примыкает небольшой придел. В XVII веке собор вновь перестраивался, о чем свидетельствуют характерные для того времени узорочные наличники, которые можно разглядеть на старинных изображениях. Исследователи отмечали редкий прием устройства конусовидного барабана центральной главы, позволявший зрительно увеличить высоту храма (этот прием, кстати, был «подсмотрен» К. А. Тоном, строившим рядом со Спасом на Бору Большой Кремлевский дворец, и использован им при строительстве церкви Екатерины у Калинкина моста в Санкт-Петербурге). После 1680 года в Спас на Бору перенесли престол церкви Трех Исповедников, стоявшей в Кремле на Ивановской площади. К основному ядру храма с запада и юга примыкали паперти; южному приделу Трех исповедников соответствовал симметричный северный придел Трех Святителей. Внутренние столбы здания были несколько сдвинуты к востоку, поэтому отвечавшие им лопатки на северном и южном фасадах делили стены на широкое центральное, более узкое западное и совсем узкое восточное прясла. Число придельных престолов доходило в XVII веке до одиннадцати.
Собор Спаса на Бору. Северный фасад. Фотография 1880-х годов.
В XVIII веке храм постепенно ветшал; историк С. К. Романюк приводит опись неисправностей 1730 года: своды протекали, черепица обвалилась, и собор во многих местах порос «лесом березы, осины и рябины». В 1737 году Спасскую церковь вновь восстановили после Троицкого пожара.
В конце XVIII века обветшавший храм пережил радикальную перестройку: под наблюдением М. Ф. Казакова его частично разобрали и сложили заново в прежних формах, но уже из кирпича. Результаты изменений предшествующего столетия были при этом ликвидированы, так что в лужковской Москве 2000-х годов такую операцию, пожалуй, назвали бы реставрацией. Казаков старался максимально воспроизвести оригинал: использовал старинный кирпич, имитируя даже закладки и растески окон, сохранил во вновь отстроенном соборе часть белокаменной кладки стен на высоту около полутора метров и входные перспективные порталы — здесь уцелели столь любимые древнемосковскими зодчими колонны с «дынькой», утолщением посредине. Одна из последних гипотез исследователей — собор в версии 1527 года в основном сохранился после работ Казакова и дожил до советского времени. Казаков зарисовал собор, обросший двумя ярусами приделов с восемью маленькими главками. Известны также изображения собора работы архитектора Д. Кваренги, художников Ф. Алексеева, М. Воробьева, О. Кадоля.
Интерьер собора Спаса на Бору. Фотография начала XX века.
Реставрировали храм и в 1856–1863 годах по проекту известного архитектора Ф. Ф. Рихтера; стремясь воссоздать первоначальный вид собора, он разобрал поздние пристройки, вернул древнюю форму окнам и верхам собора, восстановил по найденным остаткам портал северного придела, карнизы и пояса на стенах, уничтожил «поздние» узорочные наличники. Приделы получили новые посвящения — Мученика Прокопия (северный) и Стефана Пермского (южный). Над верхними западными приделами устроили колокольни, на которых висели старинные колокола. Собор получил тот несколько суровый вид, в котором дожил до советского времени. «Скромность и уютность — характернейшие черты постройки», — подводит итог путеводитель 1923 года.
Иконостас собора Спаса на Бору. Фотография начала XX века.