Во второй половине XVIII века церковь Софии Премудрости Божией перестраивалась. Появились новая декорация фасадов и купольное покрытие, были построены северный придел во имя Николая Чудотворца и двухъярусная колокольня с западной стороны, соединенная с храмом переходом. После разрушительного пожара 1812 года и разорения Софийской церкви французами здание обновили. Облик храма приобрел ампирные черты. В 1816 году нижний ярус колокольни украсили тосканскими портиками. Верхний восьмигранный ярус был дополнен цилиндрической надстройкой с куполом и шпилем и получил колонное обрамление. Чертеж колокольни подписал знаменитый московский архитектор О.И. Бове. Софийский храм капитально перестроили с использованием старых стен основного четверика и северного придела. Четверик церкви, возвышавшийся над обступившими его новыми пристройками, перекрыли сферическим куполом, который завершался фонарем и крестом. Окна на четверике и северном приделе были растесаны.

      В 1842 году проходила реконструкция храма Софии с учетом изменения конфигурации церковного двора при перепланировке местности. В ходе реконструкции были построены трапезная и южный – во имя Казанской иконы Божией Матери – придел, который оказался как будто срезанным линией улицы и получил неправильную форму. С западной стороны на месте перехода и старой паперти была сооружена обширная трапезная, а апсиды объединены в одну прямоугольную пристройку. В 1890-х годах изменили декор фасадов и обновили купольное покрытие. В 1901 году церковь Софии у Пушечного двора снова обновлялась. В 1913 году прямой угол трапезной сделали закругленным, так как прямой угол мешал проезду экипажей во двор церкви. Таким образом, в начале XX века здание представляло собой сложный конгломерат различных по абрису и форме помещений.

      В 1912 году философ и священник Павел Флоренский обнаружил в Софийском храме и издал редкий список служб Софии Премудрости Божией середины XIX века. Исследовавший этот список ученый-архивист А.И. Никольский писал: «Из анализа службы