W 1865 roku karmelici bosi opuścili Głębokie. Wówczas z kościoła poklasztornego do kościoła parafialnego przeniesiono uważany za cudowny obraz Matki Bożej Podchórnej oraz figurę Jezusa Cierpiącego, która 10 sierpnia 1763 roku od godziny 17.00 do 22.00 miała "pocić się w cudowny sposób".
Po powstaniu styczniowym obowiązywał zakaz remontu pomieszczeń religijnych należących do wiernych obrządku rzymskokatolickiego, lecz kościół głębocki miał na tyle spodobać się Cesarskiej Komisji Architektonicznej, że nie tylko zezwoliła na remont, lecz wyraziła zgodę na jego rozbudowę.
W 1902 roku rozpoczęła się gruntowna rozbudowa kościoła, zakończona w 1908, w wyniku której świątynia powiększyła się poprzez dodanie bocznych naw i transeptu. Podwyższono wieże. Początkowy projekt opracował J. Zaro, lecz w 1908 roku zakończono przebudowę według projektu wileńskiego architekta Adama Dubowika. Wykonawcą prac budowlanych był głęboczanin majster Józef Romanowski. Nowe części kościoła poświęcił w 1908 roku ks. Jan Kurczewski, prałat kapituły wileńskiej i znany historyk.
Świątynia została zniszczona w czasie zdobywania miasta przez Armię Czerwoną w 1944 roku i odbudowana przez ks. A. Zienkiewicza.