Начатое в конце XVII века восстановление собора после долгих годов запустения продолжилось в XVIII веке. В 1735 году дмитровский воевода с отписанным из московского сената архитектором составили описание ветхостей собора, подлежащих восстановлению. Результатом изучения масштабов разрушения успенского собора было решение о необходимости реконструкции его здания. В 1746 году, существующую в восточной палате подклета церковь Димитрия Солунского расширили, и был устроен придел Воздвижения Креста Господня. Были разобраны пять ветхих каменных барабанов и заменены на световые деревянные, изменена форма глав, ставших луковичными взамен шлемовидных. На углах паперти были установлены четыре новых купола, собор стал девятиглавым. Купола и крышу покрыли листовым железом, на главах установили деревянные опаянные железом кресты, центральный из которых был позолочен. В память восстановления успенского собора было приказано изготовить и установить в видном месте собора, белый камень, с указанием на нём имя попечителя, епископа Дмитровского Серапиона. Через три года на имя епископа Серапиона поступает прошение о дозволении начать строительство колокольни. 18 мая 1793 года колокольня по проекту архитектора Агафонова была торжественно заложена. В 1796 года колокольня в стиле классицизма была возведена и покрыта железом, вход в собор был устроен через неё. На главе был установлен железный крест, а 5 октября повесили колокола. В марте 1800 года для новой колокольни собора на церковные деньги и средства пожертвованные горожанами был отлит колокол весом в 152 пуда. Высокая трёхъярусная колокольня органично вписалась в ансамбль Успенского собора.
