Пры перабудове касцёла на царкву бакавыя часткі-рамёны трансепта накрылі высокімі «маскоўскімі» шатрамі з цыбулепадобнымі галоўкамі. Таму У. Г. Краснянскі, які першы аналізаваў помнікі архітэктуры Віцебска XVII ст. па чарцяжу 1664 г., не ўлічваючы паходжанне храма, памылкова характарызуе яго як праваслаўны, але заўважае яго незвычайнасць і своеасаблівасць. У другой палове XVII ст. храм зноў вернуты езуітам. У інвентары касцёла за 1704 г. ён названы «крыжовым» і помнікам «даўніх часоў».
У 1716 г. езуіты пачалі ўзводзіць мураваныя будынкі касцёла і калегіума ў стылі сталага барока. Касцёл, які ўяўляў сабою велічную трохнефавую крыжова-купальную базіліку з дзвюхвежавым фасадам, кансекраваны ў 1751 г.
Будаўніцтва калегіума працягвалася аж да 1799 г. і, як бачым, закончана ўжо пасля раздзелаў Рэчы Паспалітай і скасавання ордэна езуітаў. Яго архітэктура мае рысы пераходнага перыяду ад барока да класіцызму. Фасад П-падобнага двухпавярховага корпуса калегіума, што выходзіў на чырвоную лінію забудовы плошчы, побач з касцёлам, быў раскрапаваны сіметрычным уваходным аб'ёмам, які завяршаўся трох'яруснай гадзіннікавай вежай.
Планіроўка будынка калегіума была калідорная з аднабаковым светлым калідорам. На першым паверсе размяшчаліся жылыя пакоі для вучняў, архіў, трапезная з кухняй, на другім — келлі манахаў і дамовая капліца, у цокальным паверсе — гаспадарчыя службы. Памяшканні ўсіх трох паверхаў перакрываліся крыжовымі скляпеннямі, а залы трапезнай і капліцы над ёй — люстэркавымі скляпеннямі з падугамі. У 1804–1820 гг. у будынку размяшчалася павятовае вучылішча, у 1822–1839 гг. ён часова належаў базыльянскаму ордэну.
Пасля забароны вуніяцтва, ў 1843 г., комплекс быў перададзены праваслаўным, а касцёл перабудаваны і перайменаваны ў Мікалаеўскі сабор. Адбылася замена фігурных завяршэнняў вежаў і самкнёнага купала з «заломам», бачных на акварэлі І.Пешкі пачатку XIX ст., на паўсферычныя купалы, а над гадзіннікавай вежай з'явіўся высокі ампірны шпіль. У 1872 г. пры капітальным рамонце гэтую вежу разабралі, вежы касцёла зноў перабудавалі ў псеўдарускім стылі. Шматлікія перабудовы змянілі першапачатковы выгляд помніка, аднак яго горадабудаўнічае значэнне па арганізацыі прасторы і сілуэтнай панарамы плошчы па-ранейшаму заставалася вельмі істотным.
Дамінуючую ролю ў ансамблі цэнтра Віцебска XVIII — пачатку XX ст. адыгрываў комплекс базыльянскага манастыра з Успенскай царквой, што размяшчаўся на самай высокай кропцы рэльефа, на Ўспенскай гары, ля сутокаў Віцьбы і Заходняй Дзвіны, і добра праглядаўся з розных бакоў, асабліва з шырокага люстра ракі і правабярэжнай часткі горада. Праваслаўная Ўспенская царква існавала на гэтым месцы з XV ст., у пачатку XVII ст. яна перайшла вуніятам. У 1636 г. па загаду вуніяцкага мітрапаліта Антонія Сялявы была пабудавана новая драўляная царква, а ў 1682 г. пры ёй коштам падкаморыя віцебскага Кіселя створаны базыльянскі манастыр. Гэты драўляны комплекс існаваў да 1708 г.
Мураваную Ўспенскую царкву пачалі ўзводзіць па фундацыі Мірона Галузы ў 1715 г., вядома, што ў 1722 г. яна ўжо існавала, але ў хуткім часе згарэла. Будаўніцтва новага мураванага комплексу царквы і кляштара базыльян па праекту Іосіфа Фантана III пачалося ў 1743 г. і вялося з перапынкамі да 1785 г.
Майстэрства таленавітага дойліда ў поўнай ступені раскрылася ў выдатнай архітэктуры ансамбля. Велічны, грандыёзных памераў храм меў адначасова і традыцыйную, і незвычайную для беларускага барока аб'ёмна-прасторавую кампазіцыю. Гэта была адзіная ў Беларусі пяцінефавая крыжовая базіліка з дзвюхвежавым фасадам, тады як самыя рэпрэзентатыўныя крыжова-купальныя базілікі таго часу мелі толькі тры нефы.
Аснову кампазіцыі Ўспенскай царквы складалі роўнавысокія цэнтральны неф з паўкруглым прэсбітэрыем і трансепт, што ўтваралі ў плане выцягнуты лацінскі крыж. Больш нізкія бакавыя нефы пераходзілі ў хор, што паўкольцам абкружаў прэсбітэрый. Шырокімі арачнымі праёмамі бакавыя нефы злучаліся з цэнтральным нефам з аднаго боку і шэрагам авальных капліц у крайніх нефах з другога. Гэта надавала інтэр'еру надзвычайную пышнасць і разнастайнасць, нягледзячы на строгую простакутную форму плана. Дакладна ўлічаныя і скарэктаваныя аптычныя эфекты, выкарыстаныя ў тэктоніцы храма, узмацнялі яго эмацыянальна-мастацкае ўздзеянне на веруючых. Галоўны фасад у адпаведнасці з прынцыпамі стылю барока трактаваўся як шырма для агульнай кампазіцыі збудаванняў, меў развітую прасторавую будову, якая адпавядала канструкцыйнай аснове. Пяцінефавая структура базілікі ўвасобілася ў пяцічасткавым чляненні фасада па вертыкалі. Цэнтральная частка і вежы па баках выступалі наперад, прамежкавыя часткі былі крыху паглыблены. Насычаная і разнастайная ордэрная пластыка яшчэ больш узбагачала маляўнічую гульню святла і ценю на хвалістай паверхні фасада. Гарызантальныя паясы антаблементаў адпавядалі канструкцыям перакрыццяў бакавых і цэнтральнага нефаў. Крайнія нефы каля алтара завяршаліся простакутнымі сакрысціямі, а на галоўным фасадзе — стройнымі шмат яруснымі вежамі з прыгожымі фігурнымі завяршэннямі. Вуглы чацверыковых вежаў аздабляліся спаранымі карынфскімі пілястрамі, а ў верхнім ярусе — валютамі. Цэнтральная частка фасада была раскрапавана дынамічна згрупаванымі паўкалонамі і ўвенчвалася фігурным атыкавым франтонам. На адной з акварэляў І.Пешкі (з драўляным мастом праз Віцьбу) бачна, што на пачатку XIX ст. такія ж франтоны ўпрыгожвалі абодва тарцы трансепта, а купал на сяродкрыжжы адсутнічаў.