Dalam perkembangan selanjutnya, bangunan masjid ini diperluas menjadi bangunan masjid yang dikenal sebagai Masjid Agung Tuban saat ini. Masjid tersebut sempat mengalami beberapa kali renovasi.
Renovasi pertama kali dilakukan pada 1894, yakni pada masa pemerintahan Raden Toemengoeng Koesoemodiko (Bupati ke-34 Tuban). Saat itu Raden Toemengoeng Koesoemodiko menggunakan jasa arsitek berkebangsaan Belanda, BOHM Toxopeus. Sebagaimana disebutkan dalam prasasti yang ada di depan masjid ini yang berbunyi :
“Batoe yang pertama dari inie missigit dipasang pada hari Akad tanggal 29 Djuli 1894 oleh R. Toemengoeng Koesoemodiko Boepati Toeban. Inie missigit terbikin oleh Toewan Opzicter B.O.H.M. Toxopeus.”
Dalam akun twitter potret lawas diposting foto Masjid Tuban disertai keterangan: “Masjid Tuban, ???? ?????, di Jawa Timur. Seperti tertulis di fasadnya, masjid ini dibangun pada tahun Jawa 1824 atau 1894-95 Masehi. Merupakan salah satu masjid pertama di Jawa yang memakai kubah.”
Dalam keterangan selanjutnya dijelaskan, Masjid Tuban dirancang HM Toxopeus, opsir Burgelijke Openbare Werken. Menurut GF Pijper, cerita yang berkembang menyebut rujukan rancangan masjid ini adalah Hagia Sofia Istanbul. Selain antara pertama yang berkubah, Masjid Tuban juga salah satu masjid terawal yang miliki arcade.