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.

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.

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.

Интересна история реставрации внутренних росписей храма в 1859–1863 годах, свидетельствующая и о рождении новых по сравнению с представлениями XVIII — первой половины XIX века понятий об облике памятников старины, и о поисках образцов национального искусства. К началу рихтеровской реставрации собор был расписан в классицистическом стиле первой половины XIX века. Ф. Ф. Рихтер писал в пояснительной записке к своему проекту: «Подражание итальянским украшениям на сводах и несколько библейских изображений, писанных (в 1817 г.) на стенах по кирпичу, нисколько не украшают, а более обезображивают весь храм». Архитектор предлагал впоследствии расписать храм «по подобию прочих кремлевских соборов», т. е. в историческом стиле, каковому критерию, собственно, должен был соответствовать весь комплекс нового Большого Кремлевского дворца. Рихтер обратился за образцами новой росписи к академику А. В. Серебрякову, знатоку и собирателю русских древностей — «в стиле, наиболее подходящем к сему храму». Рисунки Серебрякова были одобрены Рихтером, но отвергнуты духовником императорской семьи протопресвитером Баженовым, который признал их «слишком отступающими от церковных правил или обычаев, а в художественном отношении не совершенно изящными». Исправлять рисунки академика министр императорского двора граф В. Ф. Адлерберг поручил другому академику и знатоку древнерусского искусства Ф. Г. Солнцеву. Тот откорректировал эскизы коллеги «согласно древним подлинникам и с соблюдением типов… и вообще правил греко-российской церкви». По новым рисункам Серебряков стал расписывать храм, причем заключенный с ним контракт требовал, чтобы росписи Спаса на Бору соответствовали великолепию Большого Кремлевского дворца и могли послужить образцом для других московских церквей. Но не успел академик закончить работу, как восстал другой священнослужитель — протоиерей Покровский, который охарактеризовал росписи как не соответствующие «ни достоинству, ни древности спасоборского храма». Была проведена специальная экспертиза, и в 1859 году контракт с Серебряковым расторгли. После этого творчество в национально-историческом стиле прекратилось, академиков больше не беспокоили, а росписи выполнили по калькам, снятым со знаменитых фресок ярославской церкви Иоанна Предтечи в Толчкове, признанных наиболее подходящими «по своему характеру к храму Спаса на Бору».

В иконостасе Спасского собора находились древние иконы византийского стиля: Преображения, Сретения и Боголюбской Богоматери, привезенная некогда в Москву из Боголюбова. В ризнице храма сохранялись серебряные сосуды и две находки XIV–XV веков, сделанные в 1836 году при ремонте пола: глиняная чашечка и кожаный пояс с тиснеными изображениями.

Даже после всех реконструкций собор Спаса на Бору производил впечатление памятника необычайно древнего: щипцовые завершения его фасадов и лишенные украшений плоскости стен заставляли вспомнить о суровой новгородской архитектуре XIV–XVI веков. В интерьере храма, согласно описанию 1883 года, поражали «массивность пилонов, стен, тяжеловесность низких давящих сводов и общий темный колорит… Небольшие узкие окна, загороженные еще высокие двери не могут дать обильного света… очень древние царские врата…»

С постройкой Большого Кремлевского дворца собор оказался затесненным в его внутреннем дворе, исчез из панорам Кремля с Москвы-реки. Французский путешественник Астольф де Кюстин писал в книге «Россия в 1839 году»: «Готовя двору более удобное пристанище, строители уже окружили оградой маленькую церковь Спаса на Бору. Это святилище, насколько мне известно, самое древнее в Кремле и во всей Москве, скоро, к великому огорчению всех, кто любит древние здания и живописные виды, исчезнет за белыми гладкими стенами, которыми его окружают. Более же всего претит мне смехотворный трепет, с каким свершается это осквернение святыни: предметом неподдельной гордости служит тот факт, что старинный памятник не сравняют с землей, но похоронят заживо в дворцовой ограде. Вот таким образом примиряют здесь официальный культ прошлого с пристрастием к комфорту… Что не смог сделать враг, то совершается теперь».

Через сто лет новые хозяева кремлевских дворцов смогли, сравняв собор с землей, окончательно довершить, что не смог сделать враг. А горькие слова французского маркиза сказаны будто о современной Москве, где «реконструкции» делают из палат XVII века бетонные офисы или элитные жилые дома с фальшивыми узорочными наличниками…

Даже скрывшись из виду, собор Спаса на Бору оставался любим и почитаем москвичами. «Взглянув на этот храм, ровесника Москвы, — размышляет в „Седой старине Москвы“ (1893) И. К. Кондратьев, — невольно поражаешься странной противоположностью, которую он представляет с окружающим его Императорским дворцом; он кажется точно вросшим в землю, и крест средней главы едва равняется со вторым этажом дворца. Внутренность храма невелика, своды поддерживаются толстыми, несоразмерными столпами. Великолепия нет, но местные иконы достопамятны древностью». В 1913 году Спас на Бору стал образцом для нового Феодоровского собора в Царском Селе, выстроенного к 300-летию династии Романовых; он считается и прототипом собора Марфо-Мариинской обители в Москве, построенного А. В. Щусевым.