В 1811-м году предположено было построить вокруг соборных храмов каменную ограду и расширить здание главного храма пристройкой трапезы и крыльца. В том же году и приступили к выполнению этого проекта, но предпринятой работе не суждено было закончиться.
В 1815 году, 14 июня, во время городского пожара здания соборов вновь пострадали, причем пострадало и внутреннее убранство храмов; в главном здании выгорела верхняя церковь во имя Рождества Богородицы, уцелела же от огня только нижняя Богоявленская церковь, в которой и продолжали совершать церковные службы. В это время соборным протоиереем был Максим Васильевич Савинов, человек выдающихся способностей, лично известный многим высокопоставленным особам38. Он собрал пожертвования не только со всех концов России, но и за границей, и приступил к возобновлению полуразрушенных храмов. Колокольня была исправлена в следующем же 1816 году, но храмы под ней временно были упразднены. Главное здание собора с 1816 по 1822 г. было перестроено по новому плану архитектора Фохта, как сказано в церковной летописи, "в особенном западном вкусе". В нижнем этаже, кроме главного Богоявленского, были устроены приделы во имя Димитрия Ростовского и Михаила Малеина, а в верхнем - во имя Рождества Пресвятой Богородицы. Верхний этаж был надстроен только над среднею частью здания, а с боков, с северной и южной сторон были деревянные колонны. Над средней частью храма "квадратный купол" завершался, вместо бывшего пятиглавия, четырехгранным шпилем вышиной в семь сажень. Новопостроенное здание храма по фасаду более походило на музей, адмиралтейство или другое какое-либо в этом роде здание, чем на православный храм, и вызывало удивление у проезжих39.
"Тотемский собор", пишет корреспондент того времени, "отличается от прочих наших храмов довольно необыкновенною архитектурою: он имеет четыре колонны на двух выдающихся боках своих, северном и южном: крыша колонн соединена с крышею храма, на которой находится небольшой купол с небольшим коническим шпилем"40.
В 1835 г. под колокольней вместо упраздненных храмов, на средства местного купца Ливерия (в монашестве Леонтия) Колычева была устроена церковь в честь Казанской иконы Божией Матери, а в 1840 г., на колокольне местным кузнецом Сидором Мишуринским были возобновлены старинные башенные часы, бывшие, по писцовым книгам 1676-1679 гг., еще на деревянной колокольне.
С 1863 г. по 1872 г. главное здание собора вследствие обнаружившихся недостатков его (малого размера верхнего храма и др.) снова было перестроено: все здание расширено, а верхний этаж сделан одинакового размера с нижним. Материал для перестройки его взят был из разобранной Петропавловской церкви (и Архангельской?), сгоревшей в 1815 году. В верхнем этаже, кроме главного престола во имя Рождества Пресвятой Богородицы, были вновь устроены два придела во имя Тумбовской Божией Матери и во имя апостолов Петра и Павла и великомученика Пантелеймона. В нижнем этаже придел Михаила Малеина переосвящен в честь архангела Михаила. Над средней частью храма, вместо шпиля, был устроен круглый трибун, покрытый куполом, поверх которого поставлен глухой барабан, увенчанный небольшой главкой, а для симметрии такие же четыре главки на барабанах поставлены и на углах четверика. В таком виде собор остается по настоящее время. После этой капитальной перестройки в соборных храмах производились лишь небольшие переделки и поправки; так., напр.: в 1874 г. на колокольне устроен новый шпиль и купол; в 1889 г. в нижнем теплом храме подновлены иконостас и живопись на сводах и вновь произведена настенная живопись в алтаре и трапезе; в 1913 году стены в алтаре верхнего храма украшены живописью художником Ф. М. Вахрушовым, уроженцем г. Тотьмы, и некоторые другие поправки.