С 1978 г. реставрация и архитектурные исследования сопровождались археологическими изысканиями (наиболее результативными были сезоны 1979 и 2003 гг.); с 2001 г. реставрацию, включая общий обмер здания современными техническими методами, производят Центральные научно-реставрационные проектные мастерские Министерства культуры РФ. Архитектура церкви Вознесения Господня в Коломенском отличается единым замыслом начиная с устройства фундамента, общего для храма и галерей. Основание главного объёма представляет собой монолит из белокаменных блоков на известковом растворе, имеет в плане форму, близкую к квадрату, и уходит на глубину 4,5–7,8 м (на восточной и западной сторонах). Основания под западной частью подклета и под крыльцами, несущими меньшую нагрузку, заложены на небольшую глубину (около 1 м). Кладка фундамента велась в котловане, по мере нарастания рядов использовались более правильно отёсанные блоки. Размеченный в плане фундамент уточняли в ходе разбивки, следы которой в виде линий, прочерченных вдоль краёв котлована, открыты при раскопках. Уступ в глубину с запада образовал анкер, которым в склоне надпойменной террасы укрепилось основание. Восточная стена, выступавшая над поверхностью, была присыпана на высоту больше полутора метров боем кирпичного щебня и отёсками камня, которые дренировали склон и образовали вокруг храма задернованный «стилобат» правильной формы, просматривавшийся до недавнего времени. Внешний объём здания включает подклет с двумя сводчатыми помещениями, галереи, четверик, восьмерик и восьмигранный шатёр, венчаемый небольшим восьмигранным барабаном с маленьким куполом и крестом наверху. Планы нижних ярусов, галереи и четверика имеют форму креста; благодаря равным прямоугольным выступам по сторонам квадрата достигнута крестообразность в плане основного объёма. Восточный выступ, где находится алтарь, внешне не выделен. Отделка подклета свидетельствует о высоком искусстве инженера-архитектора: хотя помещение, как полагают исследователи, не использовалось для службы, стены оформлены кирпичными пилястрами, поставленными на пьедесталы, снаружи белокаменные. На галерею ведут три выносных крыльца; всходы на них устроены с уровня земли параллельно соответствующей стене с поворотом к ней под прямым углом в точке выхода на ось портала. Всходы состоят из маршей лестниц, опирающихся на аркады, и протяжённых площадок и различаются между собой: северный вплотную прижат к галерее; с восточной стороны лестниц нет. Все углы храма, как внешние, так и внутренние, усилены пилястрами и образуют отдельные пилоны. Внешнее убранство храма совмещает элементы Возрождения (пилястры с капителями, обрамления окон полуколонками и др.) и готики (на простенки наложены вимперги (глухие арки треугольных форм) с заострёнными очертаниями на фасадах рукавов планового креста и в узких простенках выступающих углов четверика, килевидные арки), типичные для позднесредневековой и ренессансной Италии, особенно в завершениях порталов.