Katedra renesansowa Po pożarze w 1530 roku, na polecenie króla Zygmunta I Starego rozpoczęto odbudowę katedry, tym razem w stylu renesansowym. Pracami budowlanymi pod nadzorem biskupa Jana Ochstata kierował Bernardinus de Gianotis i ukończono je w 1538 roku (brał w nich udział prawdopodobnie także Giovanni Cini). W 1547 r. w Kaplicy Wołłowiczowskiej (dawnej Królewskiej) miał miejsce potajemny ślub Zygmunta Augusta i Barbary Radziwiłłówny (później w katedrze pochowanej). W 1573 roku biskup Walerian Protaszewicz-Suszkowski urządził w północnej nawie nowy grób księcia Witolda, a królowa Polski Bona Sforza wzniosła mu pomnik w stylu renesansowym. W 1610 r. nastąpił pożar, który znacznie uszkodził katedrę.
Katedra barokowa
Król Zygmunt III Waza nakazał odbudowę przeznaczając na ten cel 4 tys. złotych. Budowę prowadzono z przerwami, spowodowanymi zarazami, w latach 1612–1632. Wzniesiono wtedy dwie symetryczne wieże, z których jedną wkrótce rozebrano. W tym też czasie zbudowano Kaplicę św. Kazimierza (autorstwa Constantina Tencalli, wzniesionej w latach 1623–1636 i poświęconej pochowanemu w niej synowi Kazimierza Jagiellończyka – św. Kazimierzowi, patronowi Litwy).