W latopisach opisujących zniszczenia wywołane przez kolejny pożar w 1547 r. jest już mowa o cerkwi Poczęcia św. Anny i o tym, że podczas pożaru zawaliły się jej sklepienia. Podczas odbudowy zmieniono konstrukcję budynku, rezygnując z czterech filarów, na których pierwotnie opierała się kopuła. Zastąpiono je łukami przenoszącymi podtrzymywanie ciężaru kopuły na ściany cerkwi. Zmiany miały na celu zwiększenie przestrzeni przeznaczonej dla wiernych, by w nabożeństwach jednorazowo mogło brać udział więcej osób. W XVI w. cerkiew, oprócz głównego ołtarza Poczęcia św. Anny, posiadała też boczny, św. Menasa, ustawiony na pamiątkę zakończenia panowania tatarsko-mongolskiego nad Rusią. Został on zniszczony podczas Wielkiej Smuty i odbudowany w 1617 r. przez Dmitrija PożarskiegoM. Wostryszew, S. Szokariew, Moskwa..., s. 168..
W latach 1658–1668 wzniesiono w świątyni jeszcze jeden ołtarz boczny, poświęcony św. Katarzynie (na cześć narodzin córki cara Aleksego o tym właśnie imieniu), co zmieniło kompozycję całego budynku, czyniąc ją symetryczną. Całą budowlę otoczono również galerią, zakrywając absydy pomieszczeń ołtarzowych (półkolistą w głównym i prostokątne w bocznych). W XIX w.