В XIX веке в храме ежедневно совершалась служба кремлевским духовенством. Собор был приходским храмом для всех дворцовых служащих. 12 августа из Спасского храма направлялся крестный ход в Успенский собор. В апреле 1896 года в храме торжественно отметили 500-летие со дня кончины св. Стефана Пермского.

Почтенный собор был очень популярен среди московских невест, так как один из его престолов был посвящен Трем исповедникам — Гурию, Самону и Авиву, считавшимся покровителями невест. Ежегодно 15 ноября в день Трех исповедников, как свидетельствуют мемуаристы, «целые вереницы девиц направлялись в церковь Спаса на Бору в Кремле, и там служились молебны. Особенно усердными были те невесты, которые почему-либо уже более или менее долго ожидали появления претендента на их руку и сердце».

По свадебному поводу Спасская церковь появляется в знаменитых мемуарах А. О. Смирновой-Россет, близкой знакомой А. С. Пушкина. Вот что пишет она о свадьбе своей подруги фрейлины Анны Тютчевой, выходившей замуж за славянофила Ивана Аксакова: «Соболевский при сей верной оказии ради красного словца написал четверостишие: Иван и Анна венчаются у Спаса на Бору, древнейшей церкви в Москве. Тургенев Александр, которого спрашивали, что нового по Москве: Спаса на Бору взяли ко двору. И точно, некогда окруженный густым бором бедный Спас окружен теперь фрейлинскими покоями».

Каменная церковь 1330 (по другим данным, 1328–1329) года, как предполагал И. Забелин, сохранялась в основе собора Спаса на Бору, несмотря на все обновления и переделки храма в XIV–XVII веках. Это была четвертая по времени основания каменная церковь Москвы. Известно о ней немного. Кубический объем четырехстолпного, первоначально одноглавого храма (сторона куба — не более 6 сажен), сложенный из белого камня, внутри был темен и невелик. Есть сведения о сооружении в 1350 году каменного притвора собора, в 1473 году переделанного в трапезную. При сносе собора в 1930-х годах нашли фрагменты первоначального резного фриза из белого камня: растительный орнамент с изящным рисунком. Специалисты отмечают близость этого фриза с убранством сербских храмов того времени и влияние, оказанное им на декор раннемосковских храмов XIV–XV веков. Историк русской архитектуры А. М. Павлинов (1894) считал, что Спас на Бору выстроен «под влиянием владимирских церквей», указывая на трехфронтонное покрытие стен и форму дверных арок.

При сыне Ивана Калиты Симеоне Гордом в 1345–1346 годах собор был расписан «казною и велением» его жены Анастасии. Трудились над фресками русские мастера под руководством неких учившихся у греков Гойтана, Семена и Ивана. Согласно последним гипотезам историков древнерусской живописи, этот великокняжеский мастер Иван является отцом Андрея Рублева, который в одном из средневековых документов назван «Ивановым сыном»; в сохранившихся работах обоих художников находят общие приемы и стилистическое сходство. В соборе хранился драгоценный оклад с иконы Спаса Нерукотворного, которой брат византийского императора Фома Палеолог благословил свою дочь Софию на брак с Иваном III.

XVI столетие приносит нам известия о многочисленных перестройках храма. В 1527 году его приказал обновить (по некоторым источникам — заново построить) великий князь Василий Иванович. Тогда же появились новые приделы. Историк П. В. Сытин говорит об обновлении храма после пожара 1547 года; перестраивался Спас на Бору и после пожара 1554 года. Иван Грозный после похода на Новгород велел пристроить к собору придел Трех Святителей — такой же был в новгородском Софийском соборе.

Чертеж 1600-х годов изображает Спасский собор в виде одноглавого храма с тремя апсидами; с севера к нему примыкает небольшой придел. В XVII веке собор вновь перестраивался, о чем свидетельствуют характерные для того времени узорочные наличники, которые можно разглядеть на старинных изображениях. Исследователи отмечали редкий прием устройства конусовидного барабана центральной главы, позволявший зрительно увеличить высоту храма (этот прием, кстати, был «подсмотрен» К. А. Тоном, строившим рядом со Спасом на Бору Большой Кремлевский дворец, и использован им при строительстве церкви Екатерины у Калинкина моста в Санкт-Петербурге). После 1680 года в Спас на Бору перенесли престол церкви Трех Исповедников, стоявшей в Кремле на Ивановской площади. К основному ядру храма с запада и юга примыкали паперти; южному приделу Трех исповедников соответствовал симметричный северный придел Трех Святителей. Внутренние столбы здания были несколько сдвинуты к востоку, поэтому отвечавшие им лопатки на северном и южном фасадах делили стены на широкое центральное, более узкое западное и совсем узкое восточное прясла. Число придельных престолов доходило в XVII веке до одиннадцати.

В XVIII веке храм постепенно ветшал; историк С. К. Романюк приводит опись неисправностей 1730 года: своды протекали, черепица обвалилась, и собор во многих местах порос «лесом березы, осины и рябины». В 1737 году Спасскую церковь вновь восстановили после Троицкого пожара.

В конце XVIII века обветшавший храм пережил радикальную перестройку: под наблюдением М. Ф. Казакова его частично разобрали и сложили заново в прежних формах, но уже из кирпича. Результаты изменений предшествующего столетия были при этом ликвидированы, так что в лужковской Москве 2000-х годов такую операцию, пожалуй, назвали бы реставрацией. Казаков старался максимально воспроизвести оригинал: использовал старинный кирпич, имитируя даже закладки и растески окон, сохранил во вновь отстроенном соборе часть белокаменной кладки стен на высоту около полутора метров и входные перспективные порталы — здесь уцелели столь любимые древнемосковскими зодчими колонны с «дынькой», утолщением посредине. Одна из последних гипотез исследователей — собор в версии 1527 года в основном сохранился после работ Казакова и дожил до советского времени. Казаков зарисовал собор, обросший двумя ярусами приделов с восемью маленькими главками. Известны также изображения собора работы архитектора Д. Кваренги, художников Ф. Алексеева, М. Воробьева, О. Кадоля.

Реставрировали храм и в 1856–1863 годах по проекту известного архитектора Ф. Ф. Рихтера; стремясь воссоздать первоначальный вид собора, он разобрал поздние пристройки, вернул древнюю форму окнам и верхам собора, восстановил по найденным остаткам портал северного придела, карнизы и пояса на стенах, уничтожил «поздние» узорочные наличники. Приделы получили новые посвящения — Мученика Прокопия (северный) и Стефана Пермского (южный). Над верхними западными приделами устроили колокольни, на которых висели старинные колокола. Собор получил тот несколько суровый вид, в котором дожил до советского времени. «Скромность и уютность — характернейшие черты постройки», — подводит итог путеводитель 1923 года.