Согласно тексту жалованной грамоты 1592 г., каменный храм предполагалось построить «в меру» собора московского в честь Вознесения Господня монастыря, и для его возведения в Антониев Сийский монастырь был отправлен церковный мастер Захар. Строительство собора продолжалось разными артелями до конца июля 1606 г. (в 1593–1606 гг. в монастыре работал мастер Василий Дуло с 30 вологодскими каменщиками), освящён 24 мая 1607 г. Мощи преподобного, находившиеся до того времени под спудом в деревянном шатровом соборе с южной стороны алтаря, оказались внутри каменного храма у южной стены, перед приделом во имя преподобного Антония, расположенным в диаконнике. Строившийся на протяжении четырёх царствований (Фёдора Ивановича, Бориса Фёдоровича Годунова, Лжедмитрия I и Василия Шуйского) пятиглавый четырёхстолпный Троицкий собор с западным притвором являет собой характерный пример использования в новгородской архитектурной традиции форм московского зодчества. Так, московские мотивы отчётливо прослеживаются в широком антаблементе под закомарами, в филенках на стенах апсид и главное – в звеньях аркатурно-колончатого пояса, помещённых в пряслах западной стены четверика. Новгородское происхождение имеет конструкция перекрытия, где использованы узкие, незначительно повышенные над уровнем сводов, подпружные арки. В XVII в. с южной стороны собора была построена каменная палатка, куда в 1678 г. по благословению Новгородского митрополита Корнилия перенесли мощи пустынножителей священноиноков преподобных Исаии и Никифора Ручьёвских. Позже здесь были погребены игумен Феодосий Сийский (ум. в 1688 г.) и патриарший казначей Паисий (ум. в 1695 г.). В XIX в. над их погребениями в летнее время служили для паломников заказные панихиды для поминовения «их присных и знаемых». В 1638–1644 гг. в монастыре была построена тёплая шатровая Благовещенская церковь (в 1824 г. в ней был освящён придел во имя Николая Чудотворца) с тёплой трапезной и келарской палатами. В 1642 г. в шатре трапезной церкви освятили придел во имя св. Михаила Малеина, небесного покровителя царя Михаила Фёдоровича. В 1652 г. возведена шатровая колокольня с храмом во имя Московских святителей Петра, Алексия и Ионы (освящена в 1661 г.). В 1661–1669 гг. построена надвратная каменная церковь апостола Андрея Первозванного, вместо прежней деревянной, с тремя престолами – во имя апостола Андрея Первозванного (освящена в 1687 г.), Сергия Радонежского, святых Флора и Лавра (перестроена в XVIII в.). На рубеже XVII–XVIII вв. возведён двухэтажный корпус братских келий. История Антониева Сийского монастыря тесно связана с русскими великокняжескими и царскими семьями. Великий князь Василий III просил преподобного Антония молиться о «чадородии» великой княгини. В 1575/1576 г. царь Иоанн IV пожаловал в монастырь покров на гроб преподобного Антония.