성 바실리 대성당은 1680년과 1683년 사이에 있었던 두 번째이자 가장 큰 규모의 개축 작업을 거친다. 이 때 9개의 교회 건물 모두가 다시 강화되거나 꾸며졌으며, 특히 건물의 1층 구조와 2층 구조를 이 때 새롭게 지어, 옛 건물에 완전히 새로운 구조물들을 더 덧붙이는 작업을 진행하였다. 이 구조로 인하여, 원래는 각기 따로 떨어져 있었던 9개의 교회들이 현재 우리가 볼 수 있는 것과 같이 하나의 단일한 건물로 변화한 것이다. 이때 원래 열린 구조였던 1층의 아케이드들이 벽돌 벽으로 채워졌고, 이로 인해 생긴 새로운 공간에 붉은 광장에 서있던 13개에 달하는 교회들에서 뜯어온 제단들이 놓였다. 1층의 플랫폼에 있던 목재 구조들과 계단들이 모두 벽돌로 바뀌어, 화재의 위험을 피할 수 있었다. 또한 현재는 텐트식 지붕이 덮여 있는 현관 구조를 포함한 거대한 갤러리 구조가 이때 함께 만들어진 것이다.

복구작업을 하며, 낡은 옛 종탑은 해체되었다. 다만 그 사각형 모양의 부지는 철거되지 않고, 새로운 종탑의 부지로 재활용되었다. 알렉시스 1세 시대 양식으로 지어진 이 종탑에는 이색적인 텐트식 지붕이 덮여있었고, 그 위용도 대단하여 대성당의 모습을 전체적으로 강력한 비대칭꼴로 만들어놓았다. 참고로 이 종탑은 남쪽과 동쪽에서 볼 때 가장 잘 보이지만, 워낙 그 크기가 크기에 서쪽으로 이동하여 관찰해도 눈에 잘 띈다.

공사와 함께 대성당의 첫 장식용 벽화도 이 때에 처음 그려졌다. 벽화들은 주로 꽃무늬 장식이었는데, 새로 만들어진 갤러리들에 주로 칠해졌고, 탑과 같은 구조물들은 그냥 벽돌 무늬를 그대로 내보이는 쪽으로 설계하였다. 마지막으로 1683년에, 노란색과 청색의 처마 장식이 더해졌는데, 이 장식에는 옛 슬라브어로 대성당의 역사에 대하여 간략하게 설명해 놓은 비문이 새겨져 있었다.
성 바실리 대성당의 처마 장식은 어느 시대 양식의 것인가?
알렉시스 1세