В годы игуменства святителя Филиппа (1548–1566), будущего митрополита Московского, в монастыре началось каменное строительство. Новгородские зодчие вместе с братией монастыря возвели храм в честь Успения Божией Матери с трапезной и келарской палатами (1552–1557). Строились новые келейные корпуса, развивалось монастырское хозяйство. Прокладывали дороги, озера соединяли каналами, завели ферму на острове Большая Муксалма. Однако при этом игумен Филипп не сокращал своих молитвенных бдений и часто уединялся в избранное им место, известное как Филипповская пустынь.
В 1558 году заложен главный храм обители – Спасо-Преображенский собор с приделом преподобных Зосимы и Савватия. В 1566 году храм освящен и святые мощи первооснователей соловецких перенесены в придел.
В 1566 году, повинуясь царской воле, игумен Филипп принял сан митрополита Московского и всея Руси. Святитель Филипп заступался за невинных людей, жертв опричнины, и обличал царя. Не страшили митрополита ни угрозы, ни попытки опорочить его имя. Неугодного святителя сослали в Тверской Отрочь монастырь. В 1569 году он принял мученическую кончину от руки Малюты Скуратова и был погребен в этом монастыре за алтарем соборной церкви.
Мощи святителя Филиппа были перенесены в Соловецкий монастырь по прошению игумена Иакова, которое было представлено от имени всей братии царю Феодору.
В конце XVI в. были построены из природного камня мощные стены и башни. Очертания стен обители напоминают корабль. В 1601 году над Святыми вратами возведена церковь Благовещения Пресвятой Богородицы.
Тяжелые заботы по защите монастыря и прибрежных владений легли на плечи преподобного Иринарха, который был игуменом с 1614 по 1626 год. Отряд стрельцов, состоящий на монастырском содержании, нес сторожевую службу. Число «воинских людей» было увеличено до 1040 человек. Они несли сторожевую службу на границах государства. Понимая трудное положение обители и ее важную роль в обороне Поморья, царь Михаил Феодорович на 5 лет освободил монастырь от уплаты пошлины и пожаловал его новыми угодьями.
С 1651 года настоятели монастыря имеют сан архимандрита.
В многовековой истории обители выделяются события, связанные с «Соловецким сидением» (1668–1676 годы) – восстанием иноков против церковных реформ. Вооруженное сопротивление царскому войску завершилось поражением мятежников, что привело к разорению монастыря. И только посещения обители Петром I (1694, 1702 годы) стали свидетельством прощения опального монастыря.
В 1764 году по высочайшему указу, так называемым «екатерининским штатам», в государственное владение перешли многие церковные и монастырские земли. Число монахов в обителях было строго регламентировано. Государство, взяв в свое управление соловецкие вотчины, приняло на себя обязанность защищать обитель и весь северный край от неприятеля. В 1765 году монастырь становится ставропигиальным: из епархиального подчинения переходит в ведение Святейшего Синода.
В 1777 году было предпринято строительство каменной колокольни, а в 1798 году возведена больничная церковь во имя святителя Филиппа. В 1834 году завершено строительство церкви святителя Николая.
В 1854 году, во время Крымской войны, древние крепостные стены выдержали нападение с моря англо-французской эскадры.
В 1858 году монастырь посетил император Александр II. В свите государя были великие князья, дипломаты, писатели и художники. Они с изумлением осматривали древние реликвии, богатую ризницу, искусную церковную утварь, величественные храмы, образцовое монастырское хозяйство.
В связи с увеличением количества паломников в 1859 году был сооружен Свято-Троицкий собор (убранство интерьеров завершено в 1862 году). Именно здесь покоились в раках святые мощи Соловецких чудотворцев Зосимы и Савватия. Над святыми мощами преподобного Германа вместо часовни, существовавшей с XVIII в., построена в 1860 году и освящена в его честь церковь.
В начале XX в. монастырю принадлежали 6 скитов и 3 пустыни. На Соловках было 19 церквей с 30 престолами и 30 часовен. В обители существовали: училище для детей поморов, Братское богословское училище, метеостанция, радиостанция, гидроэлектростанция, литография, ботанический сад. Некоторое время работала здесь биостанция – первое научное учреждение на Беломорье. Обитель могла принять множество паломников, число которых достигало 15 тысяч в год. Перевозки по морю осуществлялись монастырскими пароходами.
Богомольцы стремились к древним святыням, обретая на соловецкой земле душевное умиротворение и покой. Паломников приводило в умиление молитвенное усердие иноков и весь уклад повседневной жизни обители. Соловецкий патерик повествует: «С той минуты, как утром, среди ночной тишины, раздается в обители звук колокола, призывающий на утреннее молитвословие, вседневная жизнь соловецкого инока представляет постоянную смену молитвы и труда».