Mais, la grande occasion de faire ses preuves de maître-architecte vient lorsqu'il faut procéder à la reconstruction de Londres après le Grand incendie de 1666. Nommé commissaire pour la reconstruction de la ville de Londres ("Commissioner for Rebuilding the City of London") en cette même année, il effectue un relevé de la zone détruite par l'incendie avec l'aide de trois arpenteurs, l'un étant Robert Hooke. Wren redessine le plan de la ville entière, prévoyant de larges avenues rayonnant depuis un espace central, mais les propriétaires des terrains feront échouer la mise en application de ce plan directeur. Il dirige aussi la reconstruction de 51 églises, et malgré la lourdeur de la charge, reste titulaire de sa chaire d'astronomie à Oxford.