Сын Ивана III, великий князь Василий Иванович, продолжал вести строительные работы с целью усовершенствования оборонительных сооружений Кремля, которые завершились лишь в 1516 г. Со стороны Красной площади, непосредственно у кремлевских стен, был выкопан ров, глубина которого превышала 12 м, а ширина — 32 м. Этот ров соединил реку Неглинную с рекой Москвой, и Кремль, со всех сторон окруженный водной преградой, стал одной из самых мощных и неприступных крепостей своего времени.
В центре Кремля к этому времени возвышалась дозорная сигнальная башня, которая получила в истории известность под названием колокольни Ивана Великого. Привычный для современников внешний вид эта башня получила в 1600 г., во времена правления Бориса Годунова.
В XVI столетии произошло два важнейших события в судьбе Москвы: это венчание на царство в 1547 г. первого русского царя из династии Рюриковичей Ивана Грозного и поставление Патриарха Московского и всея Руси Иова в 1589 г. И венчание на царство, и поставление патриарха происходило в Успенском соборе Кремля.
В Москве возвели три пояса защиты, а в 1535–1538 гг. великая княгиня Елена Глинская приказала итальянцу по имени Петрок Малый поставить мощное крепостное укрепление, способное защитить городской посад, расположенный у восточных стен Кремля и получивший название Китай-город. Хотя, надо признаться, посад не имел ни малейшего отношения к Китаю. После сооружения трех крепостных стен Москва стала напоминать срез гигантского дерева.
Конец XVI — начало XVII столетия известны в истории Русского государства как Смутное время. В 1598 г. окончательно пресеклась древняя династия Рюриковичей, которая правила с XIII в., от Даниила Московского до Федора Иоанновича. Кремль увидел и Лжедмитрия I, и поляков-интервентов, и народное ополчение, которое под руководством князя Дмитрия Пожарского и Кузьмы Минина освободило русскую столицу от ненавистных ляхов. В 1612 г. на московском престоле появилась новая династия — Романовы.
XVII столетие внесло определенные изменения в облик Кремля. Дальнейшее укрепление Русского государства в этот период способствовало развитию и расцвету русской культуры, и прежде всего искусства и архитектуры.
В Московском Кремле шел капитальный ремонт и перестройка всех обветшавших строений, а на месте старых дворцов возводились каменные палаты — терема. С 1635 по 1656 г. были возведены Патриаршие палаты и небольшая по размеру церковь «Двенадцать апостолов». В 1682 г. произошел пожар, после которого заново отстроилась древняя Грановитая палата. Кремлевские башни украсились высокими изящными кирпичными шатрами с черепичным покрытием и золочеными флюгерами. Второй царь из династии Романовых, Алексей Михайлович, распорядился переименовать некоторые московские улицы и кремлевские башни. Так, например, Фроловская башня обрела новое название — Спасская.
Еще один страшный пожар произошел в 1701 г. Во время него сгорели все деревянные строения, расположенные в северо-западной части Кремля. Были уничтожены и Житные дворы. В 1702 г. на их месте Петр I приказал специальным указом заложить обширное здание Арсенала, где предполагалось хранить оружие и военные трофеи. Надо сказать, что Петр вообще не испытывал ни малейшего почтения к патриархальной старине. Он жаждал перемен, которые хотел внести и в архитектурный облик Москвы. Прежде всего царь попробовал видоизменить древний Кремль, где возвел упомянутый выше Арсенал, который вытянулся от Троицкой до Собакиной башни.
Политическая обстановка в начале XVIII столетия обострилась в связи с тем, что назревала война со шведами, а значит, существовала срочная необходимость дальнейшего укрепления Кремля, учитывая все военно-технические достижения того времени.
С 1707 г. по всему периметру крепостных стен и башен начали возводить бастионы и прокапывать рвы. Кремль был в полной боевой готовности и мог дать достойный отпор любому противнику, однако это не потребовалось благодаря сокрушительному поражению шведов от русской армии под Полтавой.
Поскольку Москва упорно сопротивлялась новшествам и не желала менять исконный древнерусский облик, то в 1712 г. она перестала быть столицей России. В 1713 г. в государстве появилась новая столица — Петербург, а Московский Кремль превратился в место временного пребывания царского двора. Государи и государыни России прибывали сюда на коронование, а также поклониться славным предкам и древним святыням. Москва уступила место Петербургу, и вследствие этого Кремль в течение всего XVIII столетия находился в плачевном, крайне запущенном состоянии. Большинство его строений многие годы не ремонтировались, даже после пожаров, и ветшали буквально на глазах. Например, в 1737 г. произошел большой пожар, вошедший в историю под названием Троицкого. В это время пострадали деревянные здания Кремлевского ансамбля, была уничтожена внутренняя отделка каменных сооружений. Только что выстроенный Арсенал также едва не погиб в пожаре и в течение долгих лет не восстанавливался. Лишь в 1749 г. архитектор В. В. Растрелли построил небольшой дворец для императрицы Елизаветы Петровны на месте старых царских палат. Своего прежнего значения для России Москва все же не утратила, и Елизавета Петровна всерьез подумывала о переносе столицы обратно — из Петербурга в Москву.