По мнению исследователей, в это же время были растёсаны окна в алтаре, над порталами, заложен южный портал. В 1850–1857 гг. по проекту архитектора Д. Петропавловского с западной стороны собора была построена новая трапезная, в которой освящены 9 ноября 1858 г. правый придел в честь Благовещения Пресвятой Богородицы, 7 февраля 1860 г. левый придел в честь иконы Божьей Матери «Знамение». В 1858 г. в соборе был сооружён трёхъярусный резной позолоченный иконостас, в 1890 г. поставлены иконостасы в Знаменском и Благовещенском приделах. В результате реставрационных работ, проведённых в 1970 гг. под руководством Серафима Васильевича Демидова, был воссоздан первоначальный архитектурный облик собора. В середине XVI в. собор Рождества Богородицы был расписан, стилистика стенописи восходит к художественной культуре Москвы и школы Дионисия. В период реставрации 1970 гг. из-под масляной живописи XIX – начала XX вв. были раскрыты первоначальные росписи в центральной части алтаря, диаконнике и жертвеннике, фрагменты росписей в основном пространстве храма. Наиболее полно древняя роспись сохранилась в диаконнике (первоначально придел во имя Алексия Московского). В конхе апсиды помещён образ святителя Алексия, близкий по иконографии к изображению святителя на иконе мастерской Дионисия (около 1481 г. (?), Третьяковская галерея). Ниже конхи, на восточной и южной стенах, размещены сцены из жития святителя Алексия, по иконографии также близкие к житийным сценам на иконе, а по стилистике – к изображению Василия Великого в росписи диаконника Благовещенского собора Московского Кремля. В жертвеннике храма сохранились первоначальные росписи, посвящённые Иоанну Предтече. На своде прохода из жертвенника в храм раскрыты изображения пророков Наума, Аввакума и Софонии в медальонах. На стенах и люнетах над конхами жертвенника и диаконника написаны фигуры преподобных в рост и медальоны с изображениями мучеников (в жертвеннике под записью). Основываясь на росписях жертвенника, а также на факте устроения придела Усекновения главы Иоанна Предтечи в трапезной (современный придел в честь иконы Божьей Матери «Знамение»), С.В. Демидов считал, что существовавший в XVI в. на месте жертвенника северный придел собора был посвящён Иоанну Предтече. По предположению Юрия (Георгия) Григорьевича Малкова, этот придел был освящён во имя преподобных Сергия Радонежского и Иосифа Волоцкого. Росписи в центральной части алтаря собора в настоящее время находятся под записью, за исключением небольшого фрагмента, раскрытого в 1943 г. (на восточной стене – половина фигуры святителя, по мнению исследователей, Григория Богослова).