1501/02 wurde das Harnachhaus vergrößert und 1507 wurde das oberste Geschoß im Auftrag des Kaisers in eine „Kürnstube" umgestaltet. Diese wurde mit allerlei gemalten Getier und Jägern gestaltet und Geweihen dekoriert. Das Äußere wurde durch Achitekturmalerei verziert.
1522 ließ Kaiser Ferdinand I das Dach des Wappenturmes, welches durch ein Feuer in Mitleidenschaft gezogen worden war, neu decken. 1534 wurde bei einer weiteren Feuersbrunst in der Stadt der Ostteil der Hofburg beschädigt. Dieser Teil wurde bis 1538 durch den italienischen Baumeister Lucius de Spaciis neu errichtet und die Saalbauten wurden erneuert. Besondere Beachtung verdient der Paradiessaal mit der szenischen Darstellung des Adam und Eva Zykluses. Da dem Kaiser die einheimischen Künstler zuwenig talentiert waren, ließ er Domenico Pozzo für die Deckenbemalung nach Innsbruck kommen.
Zwischen 1553-56 wurde die Hofkirche errichtet, in diesem Zusammenhang ließ Ferdinand I. einen Verbindungsgang zu diesem Gebäude anbauen. In der Folge wurden auch die gotischen Spitzdächer durch Renaissance Dächer ersetzt, welche eher flach gestaltet waren.
Die nächsten großen Bauunternehmungen wurden unter der Regierungszeit Ferdinands II. durchgeführt. Nachdem er sich Pläne sämtlicher Gebäude der Hofburg anfertigen ließ, beauftragte er den Baumeister Giovanni Lucchesse die Residenz im italienischem Renaissancestil umzugestalten. So wurden dem Wappenturm die vier Ecktürme abgenommen und stattdessen ein Flachdach aufgesetzt, die Kürnstube umgestaltet, das Frauenzimmer grundlegend umgebaut und der nördliche Teil der Ostfront umgebaut. Die bisherigen Regierungseinrichtungen, welche in den Gebäuden der Hofgasse untergebracht waren, mussten das Gebäude verlassen, da die Räumlichkeiten der Residenz vorbehalten waren.
1573 wurde die Silberne Kapelle errichtet. In diesem Zusammenhang wurde auch das Harnachhaus umgebaut und erhielt ein weiteres Stockwerk. Der Innenhof wurde mit Fresken reich dekoriert.
1581 wurde im Bereich des Hofgartens ein neues Gebäude mit dem Namen „Ruhelust" errichtet, welches nur aus Holz und Fachwerk bestand. Ruhelust wurde im Jahre 1636 durch Feuer zerstört.
Schon am Ende seiner Regentschaft klagte Ferdinand II. über die Schäden an der Anlage, vor allem am Dach. Unter Leopold V wurde bereits geplant die Alte Hofburg aufgrund ihrer Baufälligkeit und ihres unmodernen Aussehens abzureißen, jedoch fehlte es am nötigen Geld. Der Landesherr zog deshalb in die von Ferdinand II. erbaute Ruhelust, welche über 60 Zimmer verfügte. Auch die Angst Leopolds vor Erdbeben trug zu dieser Entwicklung bei, da er annahm in einem Holzgebäude sicherer zu sein.
1675 wurde die 1636 abgebrannte Ruhelust als Neugebäude wieder errichtet, fiel aber 1728 ebenso dem Feuer anheim.
Erst unter Maria Theresia kam es zum endgültigen Umbau der Innsbrucker Hofburg. 1754 erhielt der pensionierte Hofbaumeister Johann Martin Gumpp den Auftrag, Planungen zu beginnen. Begonnen wurde 1755 am Südwestlichen Trakt, der bereits ein Jahr später abgeschlossen werden konnte. Wegen dem Siebenjährigen Krieg und aus Geldmangel wurde jedoch der Bau bevor am Rennweg begonnen hatte, eingestellt. Zwischen 1766-80 wurde dann unter der Leitung von Constantin Walter von Pfeilsberg, der sich nicht an Gumpps Plänen orientierte und der den Wappenturm, den Gump erhalten wollte, in einen plumpen Rundturm wandelte. Ebenso unterschied sich sein Stil an den Gebäuden, die im Gegensatz zu Gumpps filigraner Planung, nun wuchtig und pompös im Stil des Rokoko gestaltet wurden.