Первая каменная церковь была заложена весной 1407 г. преподобной Евфросинией. Строительство продолжилось при содействии её преемницы, великой княгини Софии Витовтовны. Тогда удалось довести постройку до уровня светового барабана и главы над ним. К 1467 г. здание пострадало от частых пожаров, однако мастера, работавшие под руководством Василия Дмитриевича Ермолина, не стали разбирать собор до основания, заменили обгорелые камни в наружных стенах и треснувших в огне сводах. Этот экономичный способ ремонта собора произвёл впечатление на современников, и сведения о нём вошли не только в летопись, составленную в окружении В.Д. Ермолина (Ермолинскую), но и в большинство летописных сводов второй половины XV в. Собор, по предположению Всеволода Петровича Выголова, был традиционным для раннемосковского зодчества: крестово-купольный, четырёхстолпный, с главой на световом барабане, с тремя пониженными апсидами на востоке. Необычной для современников была техника кладки – из кирпича и белого камня, характерная для переходного периода в истории московской архитектуры середины XV в. В.П. Выголов предполагал, что из белого камня были выполнены детали фасадного убранства (цоколь, порталы, обрамления и т.д.), а из кирпича выложены стены. В 1518 г. собор постройки 1407–1467 гг. был разобран «ветхости ради». Облик этого здания неизвестен, с ним исследователи соотносили сохранявшееся до 1929 г. здание собора (третье по счёту) – наиболее раннюю и крупную постройку эпохи царя Фёдора Ивановича. Внешний вид собора фрагментарно реконструировал Андрей Леонидович Баталов, о композиции фасадов храма исследователи судят по рисункам XIX в., по описаниям в литературе середины XIX в., по чертежу западного фасада работы архитектора Фёдора Фёдоровича Рихтера (до 1868 г.) и по фотографиям конца XIX – начала XX вв. Особой ценностью обладают кроки обмеров архитектора Петра Николаевича Максимова, выполненные при участии Николая Николаевича Соболева в кратчайшие сроки перед разборкой храма в 1929 г. Из письменных источников исследователи считают важными сведения архиепископа Арсения Элассонского о полной перестройке собора в 1587/1588 гг. при царе Фёдоре Ивановиче, который «воздвиги храм Вознесения внутри Москвы, при котором имеется большой монастырь…, а внутри великого храма находятся гробы великих княгинь и цариц», публикации летописных текстов, прежде всего, «Пискаревского летописца» первой четверти XVII в., в котором указано, что храм сооружён «повелением» царя Феодора, отмечен тип его завершения и размер – «о пяти верхах, болши старого» («Полное собрание русских летописей», том 34). Сопоставление графических материалов, обмерных чертежей Ф.Ф. Рихтера (до 1868 г.) и кроки П.Н. Максимова позволило исследователям подтвердить сведения летописей и описания современников. Сохранявшийся до 1929 г. собор был не возобновлённым или перестроенным зданием 1518–1521 гг., а новым храмом. При археологических работах внутри собора, проведённых до его разрушения в 1929 г., были выявлены следы столпов с закрестиями на юго-западе и юго-востоке, фрагменты стены с тремя апсидами. Эти археологические находки свидетельствуют о существовании здания современного типа и не имеют отношения к собору, разрушенному в 1929 г., у которого было четыре столпа, а не шесть, причём форму столпов исследователи считают архаичной для конца XVI в., но типичной для начала столетия.