1805–1806 годах Никольская башня подверглась перестройке под руководством архитекторов А. И. Руска и А. Н. Бокарева. Круглая надстройка была заменена верхом в готическом стиле с высоким шатром.
В 1812 году уходившие войска Наполеона подорвали Никольскую башню, что привело к обрушению шатра. Кроме того, пострадали въездные ворота, но четверик, на котором размещалась икона Николы Можайского, оказался абсолютно целым: «Рвануло так, что выбило окна и двери у всех домов в округе. От Арсенала остались одни развалины. И полбашни рухнуло. А вот Никола – с мечом и градом – устоял! Даже стекло на иконе не треснуло. Даже фонарь со свечой продолжал висеть».
Вести о чудесном спасении иконы распространялись с небывалой быстротой, и вскоре сам император Александр I приехал в Москву, дабы убедиться в реальности слухов. По его повелению Никольская башня была восстановлена, а под иконой появилась мраморная доска с надписью, сочиненной самим императором: «В 1812 году, во время неприятельского нашествия, твердыня сия почти вся была разрушена подрывом неприятеля; но чудесною силою Божией св. образ великого угодника Божия, святителя Николая, зде начертанный на самом камени, а не токмо самый образ, но и самое стекло, прикрывавшее оный, фонарь со свещею остались невредимыми. Кто Бог велий, яко Бог наш! Ты еси Бог, творяй чудеса: дивен Бог во святых своих».
Восстановление башни было поручено архитектору О. И. Бове. Тогда же белокаменный шатер заменили железным, каркасным.
В 1917 году Никольская башня сильно пострадала в ходе артиллерийского обстрела. Восстановлена она была в 1918 году архитектором Н. В. Марковниковым, тогда же была демонтирована и памятная мраморная доска Александра I.
Так же как и Спасская башня, Никольская имеет в своей нижней части двойные стены. Из Описи порух и ветхостей можно узнать следующее: «…у Никольских же ворот в застенке два слуха, в одном своды сыплются, а другой завалился…» Поскольку строили Спасскую и Никольскую башни одни и те же архитекторы, можно предположить, что и устройство их тайников-слухов было идентичным либо очень схожим.
Н. Щербатов в ходе изучения Кремля обнаружил еще один тайный ход, связывающий Никольскую башню с Арсенальной. При вскрытии замурованной стены первого этажа Арсенальной башни был открыт ход, высота которого превышала рост человека. В толщу кремлевской стены вниз, на шестиметровую глубину, вела крутая каменная лестница. В прежние времена внизу располагалась дверь, от которой к моменту исследования сохранились лишь металлические подставы.
Дальнейший путь преграждала стена, сложенная из белого камня. Пробив ее, Щербатов обнаружил подземный ход, ведущий по направлению к Никольской башне. Однако на четвертом метре тоннель вновь был прегражден. На этот раз стеной, выложенной в два кирпича. За ней исследователи наткнулись на контрфорсный столб Арсенала, который врезался в кремлевскую стену.
Здесь же от основного тоннеля отходило ответвление, устье которого было замуровано. Щербатов предполагал, что за столбом