В 1827 г., во время войны за независимость Греции, в здание (которое повстанцы использовали как укрепление) попали два ядра турецкой артиллерии, в результате чего рухнули купол и северо-восточная часть. Храм стоял «в запустении и нечистоте», уцелела только восточная стена алтаря с фрагментами византийских фресок, напоминающими росписи киевской Святой Софии. Разрешение на восстановление и перестройку церкви удалось получить у греческих властей архимандриту Антонину (Капустину), с 1850 по 1860 гг. продолжавшего дело архимандрита Поликарпа. Научную реставрацию вёл петербургский архитектор Роман Иванович Кузьмин вместе с Иваном Васильевичем Штромом. Работы по восстановлению, финансированные российским МИД, вёл афинский инженер Телемах Влассопуло. В 1852–1855 гг. архимандрит Антонин провёл в подвалах храма тщательные археологические раскопки. При восстановлении был сохранён первоначальный план здания, устранены позднейшие пристройки, раскрыты заложенные проёмы. Древние фрески были реставрированы и дополнены работами мюнхенского художника Г. Тирша, знатока византийского искусства. По словам очевидца, «общий цвет нижней половины церкви – коричневый, верхний – красный..., своды покрыты голубою краскою со звёздами, в нижней части – серебряными, в верхней – золотыми» (звёзды и стилизованные орнаменты исполнил итальянский живописец В. Ланца). Три невысоких иконостаса и престол сделал французский мастер Ф. Буланже из белого паросского и пентелийского мрамора, украсив богатой резьбой и позолотой. Царские врата были вырезаны из красного дерева. Семнадцать образов в главном иконостасе Г. Тирш написал маслом на цинке; среди изображений – греческие и русские святые, в малых иконостасах помещены в медальонах шесть небесных заступников семьи императора Николая I. Храм стал одним из красивейших в греческой столице. Отдельно стоящая колокольня из трёх ярусов была возведена заново по рисунку архимандрита Антонина, взявшего за образец византийский памятник в Мистре. Колокола были отлиты в Триесте на заводе Миллера, самый большой («Никодим»), весом в 280 пудов (в 1999 г. колокольня была отреставрирована за счёт греческого правительства). Из Петербурга в храм были привезены богатая утварь и облачения. Митрополит Элладский и Аттикийский Неофит не смог из-за преклонного возраста освятить отстроенный храм, и церемонию осуществил 6 декабря 1855 г. архиепископ Мантинейский и Кинурийский Феофан. Главный престол храма был посвящён Пресвятой Троице, левый – праведному Никодиму, правый – Николаю Чудотворцу. Архимандрит Антонин «за труды и старание» получил орден св. Анны второй степени, русские дипломаты – благодарность Святейшего Синода, греческое духовенство – золотые наперсные кресты. После освящения в подвале церкви появилась вода, которая просачивалась из засыпанной древнеримской цистерны; пришлось осушить подвал, чтобы сырость не испортила здание. В 1885 г. в храме начались протечки, и немецкий архитектор В. Шиллер понизил на полметра древний купол (несмотря на протесты Л. Тирша, брата художника, расписавшего интерьер). В 1954 г. по настоянию покровительствовавшей русской общине великой княгини Елены Владимировны купол приобрёл первоначальный вид.