Adaptacja kościoła na cerkiew Po synodzie połockim, likwidującym unię na Białorusi, władze przekazały cały kompleks Patriarchatowi Moskiewskiemu. Kościół został przebudowany w stylu klasycystycznym i poświęcony jako sobór św. Mikołaja (nowym patronem został patron ówczesnego rosyjskiego cara). Pojawił się projekt przebudowy zwieńczeń wież i centralnej kopuły na półkoliste, a wieżę zegarową miał wieńczyć szpic w stylu empire. Projektu jednak nie zrealizowano. Roboty prowadzone w latach 1842–1843 polegały m.in. na usunięciu barokowych szczytów fasady i transeptu i budowie w ich miejscu trójkątnych frontonów. Przetrwała jednak barokowa kopuła. Opróżniono krypty, wyrzucając z nich zmumifikowane ciała fundatorów i zakonników.
W roku 1867 do Witebska przyjechał architekt Mikołaj Czagin, który wykonał nowy projekt przebudowy i wkrótce rozpoczęto prace trwające do 1872 roku. Podczas przebudowy kompleksu rozebrano wieżę kolegium, a wieże kościoła przebudowano w stylu średniowiecznej architektury moskiewskiej. Przebudowy znacznie zmieniły autentyczny wygląd budynku, jednak jego znaczenie w organizacji przestrzeni i sylwetce panoramy centrum miasta pozostało istotne.