29 января 1649 г. в подвале Троицкого собора произошёл взрыв хранившегося там пороха, «соборную церковь от зельного вихря всю раздробило, и алтарную заднюю стену всю вырвало». Архимандрит Ермоген в челобитной царю Алексею Михайловичу просил разрешения разобрать руины и возвести новый, больший по размерам собор. Грамотой от 25 марта 1650 г. царь дал согласие разобрать старый собор и «устроить Соборную каменную церковь во имя Живоначальныя Троицы». В 1650–1652 гг. в Ипатиевском монастыре был возведён монументальный четырёхстолпный пятиглавый Троицкий собор. В 1652 г. в соборе установили пятиярусный тябловый иконостас, в местный ряд которого вошли, в основном, иконы конца XVI – начала XVII вв. из прежнего храма. В 1684 г. собор расписала костромская артель во главе с Гурием Никитиным и Силой Савиным. На восточной стороне юго-западного столпа над Царским местом помещены изображения государей Михаила Фёдоровича и Алексея Михайловича в царских облачениях, со скипетрами, с державами в руках и с нимбами. В середине XVII в. у северной стены Старого города вместо деревянных были возведены каменные двухэтажные настоятельские кельи (Леонид Сергеевич Васильев датирует постройку периодом между 1645 и 1652 гг.). В 1670–1680 гг. между настоятельскими и казначейскими кельями выстроили двухэтажное крыло, соединившее их в одно здание, Г-образное в плане. В 1690 гг. над настоятельскими кельями надстроили третий каменный этаж; по предположению Е.В. Кудряшова, его строителем был подмастерье Г.Л. Мазухин (уроженец села Здемирова Костромского уезда). Одновременно с третьим этажом к настоятельским кельям было пристроено большое двухъярусное крыльцо, украшенное изразцами (разобрано в начале XIX в.). В начале XVII в. надвратная церковь во имя великомученика Фёдора Стратилата и великомученицы Ирины долгое время стояла в запустении. В конце XVII в. она была восстановлена и переосвящена во имя Иоанна Предтечи и апостолов Петра и Павла (небесных покровителей царей Ивана и Петра Алексеевичей). В 1672–1673 гг. костромские каменщики Лифан Иванов «с товарищи» построили в северо-восточном углу Нового города церковь во имя Иоанна Златоуста. К ней примыкали небольшая шатровая колокольня и больничные палаты. Церковь украшал резной позолоченный иконостас, «иконы хорошего письма, многие в серебряных венцах».