Первоначальный облик церкви был близок к готическим храмам, но наличие трёх апсид свидетельствует о её первоначальной постройке в стиле православной архитектуры; перестраивалась после пожара 1748 г. по проекту архитектора И.К. Глаубица и в 1865 г. в русско-византийской стиле по проекту Резанова. В 1866 г. состоялось торжественное освящение возобновленного храма (Литовские ЕВ. 1866. № 21. С. 92), в 1869 г. была освящена часовня в честь архистратига Михаила, построенная также по проекту А.И. Резанова. Это массивное здание типа четверика на восьмерике, с круглым куполом примыкает вплотную к южному фасаду церкви, к которому пристроена также многоярусная колокольня под высоким шатром, нижние ярусы которой – четверики, верхние – восьмерики. Фасады украшены орнаментальными поясами из цветного кирпича; окна и порталы отделаны наличниками. В убранстве интерьера использованы витражи. Мозаика «Архистратиг Михаил» в часовне выполнена в мастерских императорской Академии Художеств. В храме хранятся частицы мощей святителя Николая, привезённые из Бари. Деятельность архитекторов А.И. Резанова (1817–1887 гг.) и Н.М. Чагина (1823–1909 гг.) в Вильне пришлась на 1860–1870 гг. Они проектировали постройки и наблюдали за строительством православных храмов Вильны. В 1865 г. по проектам А.И. Резанова были построены в русско-византийском стиле шатровые часовни, Александро-Невская на Георгиевской площади (снесена в 1919 г.), в центральной части города, и Георгиевская на православном Евфросиниевском кладбище в память воинов, погибших при подавлении Польского восстания 1863–1864 гг. В середине XIX в. РПЦ были переданы многие католические и униатские костёлы и монастыри, в которых были произведены необходимые перестройки согласно православным канонам. В 1840 г. бывший костёл Ордена иезуитов во имя святого Казимира был освящён во имя святителя Николая и стал кафедральным собором Вильны (до 1925 г.), его фасадам были приданы черты православного храма (по проекту А.И. Резанова). В 1864 г. по высочайшему повелению были закрыты католические монастыри. Монастырь тринитариев с костёлом Иисуса Христа (возведён в 1696 г. гетманом Яном Казимиром Сапегой), освящённый в честь архангела Михаила, действовал до 1929 г.; монастырь Ордена визиток (визитанток) был преобразован в 1865 г. в православный монастырь святой Марии Магдалины. Его главный храм (бывший костёл Сердца Иисусова) представлял в плане греческий крест, по типу это была центричная купольная постройка в стиле рококо, на западном фасаде, имевшем декоративно вогнутый контур, не было традиционных для католических храмов двух башен; храм был построен при поддержке короля Августа II Сильного по проектам архитекторов Джованни Марии Фонтаны и И.К. Глаубица, руководил работами Йоханнес Пол. В 1890–1910 гг. строились приходские храмы в новых районах разраставшейся Вильны, при них открывались школы для детей. Были освящены: 3 сентября 1895 г. церковь архангела Михаила, построенная в память графа М.Н. Муравьёва; 25 октября 1898 г. церковь во имя князя Александра Невского в память императора Александра III; 1 июня 1903 г. Знаменская церковь. Все эти храмы были возведены в русско-византийском стиле с использованием средневековых архитектурных традиций.