XVI столетие является временем экономического подъема и роста города. В нем начинается каменное строительство, сооружается городской Успенский собор, в 1559 – 1565 годах при царе Иване Грозном возводится Богоявленский собор Богоявленского монастыря, в котором находится Федоровская икона Божией Матери. В конце XVI – начале XVII веков активное строительство ведется в пригородном Ипатьевском монастыре, которому покровительствовал Борис Годунов и его родственники.
Значительную роль играла Кострома в событиях Смутного времени. После гибели Лжедмитрия I сюда была сослана часть свиты Марины Мнишек. В 1609 года отряды «тушинского вора» и его польских сторонников овладели городом и сделали своим опорным пунктом Ипатьевский монастырь с его каменными стенами, совершая оттуда набеги на окрестности. Костромское ополчение осадило монастырь и взяло его штурмом. Активное участие жители города принимали в организации народных ополчений 1609 и 1612 годов. В 1612 году нижегородское ополчение останавливалось в Костроме по пути в Ярославль.
Особого расцвета достигла Кострома в XVII веке. В это время по экономическому значению она занимала четвертое место среди русских посадов, уступая лишь Москве, Ярославлю и Казани. Значительную часть населения составляли ремесленники различных специальных специальностей. На всю страну славилось костромское мыло и кожи костромской выделки.
Во время пожара 1654 года погибла большая часть городской застройки. Через два года эпидемия чумы погубила почти две трети населения. Экономические тяготы населения, связанные с увеличением налогов из-за затяжной войны с Речью Посполитой, вызвали в 1660 году восстание посадских людей и крестьян, которое было жестоко подавлено правительственными войсками.
Во второй половине XVII века Кострома становится известным центром художественной культуры. Костромские умельцы работали во многих городах государства, часто приглашались в Москву для выполнения царских заказов. Особой известностью пользовались Гурий Никитин и Сила Савин, которые считались крупнейшими мастерами монументальной живописи XVII века.
В течение второй половины XVII века в городе ведется монастырское и посадское каменное строительство: возводятся Троицкий собор Ипатьевского монастыря, каменные стены Богоявленского монастыря, церковь Воскресения на Дебре и Троицкая церковь, церкви на Городище и в слободе Ипатьевского монастыря. Но в основном городская застройка до второй половины XVIII века оставалась деревянной.
Троицкий собор в 1649 году был разрушен от взрыва пороха, но был отстроен заново. Внутри стены собора расписаны выдающимися художниками-костромичами Силой Савиным и Гурием Никитиным. Время пощадило самый прекрасный костромской храм – пятиглавую церковь Воскресения на Дебре, построенную в 1652 году купцом Е.Г. Исаковым. Прекрасен не только сам храм, но и его ворота. Столбы ворот декорированы резными фигурами фантастических птиц, львов, единорогов. Ворота окружены небольшими башнями с нарядными шатрами и главами.
Со строительством этого храма существует историческое предание. При разгрузке прибывших из Англии товаров, рабочие Исакова нашли бочонок с золотыми монетами. Исаков сообщил об этом в торговое представительство Англии – Аглицкий дом. В ответе, который пришел из Англии, говорилось, что о том как бочонок с монетами оказался среди товаров, англичане не знают и поэтому назад не требуют. Но просят употребить монеты на богоугодное дело. Некоторые историки считают, что львы и единороги на воротах церкви Воскресения появились потому, что эти животные изображены на гербе Великобритании.
В начале XVIII века для Костромы, как и для многих городов центральной России, связанных с Москвой и с северным и волжским торговыми путями, перенос столицы в Петербург послужил причиной экономического упадка. Только в середине века в городе возникает крупная полотняная фабрика Углечаниновых. К концу века здесь начали работу пять суконных фабрик.
В 1773 в пожаре сгорел почти весь деревянный город. Это событие послужило толчком для разработки нового плана застройки Костромы. После разработки план застройки города был утвержден императрицей Екатериной. Воплощению нового плана городского строительства способствовало объявление Костромы в 1778 году центром губернии. В результате реализации проекта Кострома получила веерную планировку, центром которой является торговая площадь многоугольной формы. Застройка городского центра продолжалась несколько десятилетий. В процессе ее осуществления были срыты городские валы, засыпаны рвы, устроены бульвары. Центром Костромы стала полукруглая площадь, от которой веером расходятся улицы. Аркады торговых рядов, торжественные колоннады старинных зданий, башни, красивые ограды и ворота остались до наших дней.