Nach kleineren baulichen Veränderungen erfolgte 1876 ein größerer Umbau durch den Architekten Otto Thienemann. Hierbei wurde die Fassade so umgestaltet, dass die Kirche auch von außen als solche erkennbar war, was seit dem Protestantenpatent von 1861 nun gestattet war. Im 19. Jahrhundert waren die Komponisten Franz Lachner und Hermann Graedener als Organisten der Lutherischen Stadtkirche angestellt und der bedeutende Klavierbauer Andreas Streicher gab ein neues Gesangbuch für den Gottesdienst heraus. Auf Grund strengerer feuerpolizeilicher Vorschriften nach dem Ringtheaterbrand musste die Lutherische Stadtkirche 1907 erneut umgebaut werden. Weil ein direkter Ausgang des Kirchenraums zur Dorotheergasse notwendig wurde, ließ der Architekt Ludwig Schöne das Innere der Kirche um 180 Grad drehen, also die Position von Orgel und Altar vertauschen – ein Verfahren, das in der benachbarten Reformierten Stadtkirche von Architekt Ignaz Sowinski bereits 1887 erprobt worden war. Im Zweiten Weltkrieg erlitt die Lutherische Stadtkirche schwere Schäden, die Fassade fiel 1945 vollständig einem Bombenangriff zum Opfer. 1948 wurde die Fassade neu errichtet: schlicht, mit vermauerten Fenstern und einem markanten Steinkreuz an der glatten Fassade. Diese Umgestaltung wurde 1989 rückgängig gemacht und die neoklassizistische Fassade in der Form von 1907 wiederhergestellt.