W drugiej połowie XVI w. do synagogi dobudowano parterowe dobudówki, w których mieściły się przedsionek, dom kahalny oraz babiniec. Dzięki temu synagoga stała się centrum życia religijnego kazimierskich Żydów. W 1557 wybuchł wielki pożar, który doszczętnie strawił cały budynek.
Po pożarze synagogę odbudował florencki architekt Mateo Gucci, który nadał jej renesansowy charakter, ale zachował poprzedni, dwunawowy plan budowli i odtworzył jej krzyżowo-żebrowe sklepienie. Dodatkowo podniesiono mury synagogi do dzisiejszej wysokości, które następnie zwieńczono arkadową attyką ze sterczynami w narożnikach, która przysłoniła dach pogrążony. Prace trwały do 1570, gdyż z tego właśnie roku pochodziła widniejąca na sklepieniu – jeszcze do 1942 – inskrypcja tego budowniczego. Z pierwotnej budowli zachowały się wyłącznie mury sali głównej, babińca oraz przedsionka. Bożnica paliła się jeszcze kilka razy, ostatni pożar miał miejsce w 1773. W latach 1786 i 1797 w synagodze rabin Izaak Lewita dwukrotnie wyklął krakowskich chasydów.