Pierwotna wieża katedralna spłonęła podczas pożaru Lwowa w 1527 roku. Nową postanowił wybudować Andrzej z Kaffy, który wynajął w tym celu architekta Piotra Krassowskiego, który w latach 1570–1571 wzniósł trzykondygnacyjną wieżę-dzwonnicę. Pod koniec XVI wieku Piotr Barbon wybudował zakrystię.
1630–1700 W 1630 roku biskup ormiański Lwowa Mikołaj Torosowicz zawarł unię z Rzymem. W tym samym roku postanowił powiększyć świątynię. Projekt przebudowy stworzył lwowianin Wojciech (Albert) Kielar. Do XIV-wiecznego kościoła od strony zachodniej dobudowano niską, długą na 11 m i szeroką na 9,7 m nawę. Została ona zbudowana z cegły i otynkowana na zewnątrz i wewnątrz. Otrzymała dwuprzęsłowe sklepienie kolebkowe z lunetami. W ścianach umieszczono po dwa okna. Na styku starej i nowej części katedry utworzono szerokie, sklepione łukowo przejście, natomiast od zachodu zbudowano trzyprzęsłowy przedsionek. Wskutek tej rozbudowy powstała świątynia na planie krzyża łacińskiego, zbliżona tym samym do planu kościołów rzymskokatolickich. Stara, pierwotna część katedry w całości stała się prezbiterium nowej świątyni. Wraz z rozbudową arcybiskup Torosowicz wyposażając katedrę dostosował ją do nowego obrządku liturgicznego. wzniesiono barokową ambonę, nowy tron biskupi, drewniane, zdobione ławy i ołtarze. Wraz ze zmianą obrządku i przyjęciem dogmatyki katolickiej zmieniono też wezwanie katedry na Wniebowzięcia Najświętszej Maryi Panny.