Невзирая на эти несчастья, при великом князе Василии IV Ивановиче, т. е. в начале XVI столетия, Москва была уже весьма знаменита, и в ней насчитывалось более 100 тысяч жителей и до 41 тысячи домов, причем каменные дома были уже и в посадах. Кремль назывался городом. Речка Неглинка была запружена и наполняла водой кремлевский ров, выложенный кирпичом. В посадах было множество садов, на реке Яузе — мельниц, а Гостиный двор, окруженный каменной стеной, находился в Китай-городе.
Этот великий князь, назвавшись царем, принял титул Царя и Самодержца всея Руси. При нем основана была Тула, взяты Псков, Смоленск, Рязань и учреждена Макарьевская ярмарка, так тесно связавшая Москву с Востоком (1524 г.). В следующем году началась стройка Новодевичьего монастыря.
Во время царствования Ивана Васильевича Грозного, в 1535 году, большое пространство Китай-города обнесено новой каменной стеной, начиная от Кремля, неправильным полукругом с четырьмя воротами; но два ужасных бедствия, испытанные Москвой, стену эту до основания разорили. Пожар в 1547 году, три раза начинавшийся, опустошил Кремль, Китай-город и почти все посады, причем более 2 тысяч человек стали жертвами пламени. В 1571 году крымский хан Девлет-Гирей, воспользовавшись оплошностью русских, приблизился к Москве. Царь из Москвы уехал, воеводы хотели защищаться, но татары зажгли город, и через три часа все воспламенилось и погибло. Целы остались одни городские стены. Сам хан ужаснулся при виде пылающей Москвы и удалился. Во время этого пожара погибло более 120 тысяч воинов и граждан московских. Девлет-Гирей, возгордясь своей удачей, через посланных к царю послов требовал дани. Но царь приказал некоторым из них отрубить головы, а прочим отсек носы, уши и отослал обратно к хану с топором в подарок вместо дани. Однако же после этого пожара Москва поправлялась медленно. Но царствование Ивана Грозного было все же одним из замечательных царствований, положивших на Москву, а с ней и на всю Россию печать особого величия. Состоялся первый земский собор в Москве, издан «Стоглав», совершилось первое приложение выборного начала, покорены царства Казанское и Астраханское, присоединена Сибирь, начата торговля с англичанами, учреждено бессменное войско стрельцов, открыта первая типография и издана первая книга «Деяние св. Апостолов», построены Архангельск, Кунгур, Уфа, башкиры приняты в русское подданство, учредилось донское казачество и совершено много других нововведений. При нем же воздвигнут знаменитый храм Покрова в память завоевания Казанского царства, известный более под именем Василия Блаженного.
В царствование Федора Ивановича отдельная часть Москвы обнесена стеной из белого камня и получила в народе название Белого города (1587 г.). В 1589 году по согласию бывшего тогда в Москве константинопольского патриарха Иеремии учреждено в России патриаршество, на которое и поставлен московский митрополит Иов. В 1592 году вся Москва со всеми ее посадами обнесена деревянной стеной. При Федоре Ивановиче крымский хан Каза-Гирей вторгся в пределы России, проник до самой Москвы и намеревался ее осадить. Москва была спасена чудным образом: пораженный каким-то страхом, Гирей бежал. В память этого события на том месте, где татары имели свой стан, был построен Донской монастырь, названный по образу Богоматери, принесенному в дар донскими казаками князю Дмитрию Ивановичу.
В Кремле в 1600 году воздвиглась колокольня Ивана Великого: она построена Борисом Годуновым с целью доставить жителям Москвы пособие во время страшного голода, постигшего тогда Москву и другие города России. С этой же целью возведены были и другие сооружения и постройки городов: Белгорода, Оскола, Томска. Царь Борис выписал для Москвы иностранных докторов и открыл несколько аптек. При нем же закрепощены крестьяне и положено начало флоту: были куплены два корабля в Любеке со всеми принадлежностями и даже с матросами. По его же повелению отлит громадный колокол в 10 тысяч пудов, перелитый впоследствии и получивший в народе название Царя-колокола.
Так называемое Смутное время на Руси, само собой разумеется, оставило на Москве свои ужасные следы: Москва была поджигаема, разоряема, жители убиваемы десятками тысяч, но все это не пошатнуло значения Москвы, не уничтожило ее влияния как столицы. Напротив, все к Москве стремилось, все хотело захватить Москву как центр самостоятельности Русского государства. Однако же и в это несчастное для Москвы время строились дома, дворцы. Так построил себе дворец Лжедмитрий с огромными львами у крыльца, которые возбуждали ужас у москвичей и служили одной из причин недоверия к самозванцу. Шуйский приказал их разорить, построив себе скромный деревянный дворец в Кремле.