La construction du kremlin en pierre à Kolomna a commencé le 25 mai 1525 à l'initiative du Grand Duc Vassili III et a duré six ans. Le kremlin était érigé à l'extérieur d'un mur en bois et représentait un polygone proche de l'ovale, avec un périmètre de murs de presque 2 km, soit 300 m de moins que la longueur des murs du Kremlin de Moscou. L'épaisseur des murs était de 3 à 4,5 m, et leur hauteur, de 18 à 21 m. Ils étaient revêtus de briques avec un remplissage en pierre à l'intérieur et équipés de créneaux pour différents types de combat. Les murs se terminaient par des merlons, sur lesquels étaient fixées des volets de protection. Le nombre de tours variait au fil des périodes, mais le kremlin comptait au moins 13 tours et six portes : trois "grandes", les portes de Pâques, d'Ivan et obliques, et trois "petites", les portes de Malakhov, de Georgiev et d'Eau. Les angles nord-ouest et nord-est de la forteresse étaient protégés par les puissantes tours Kolomna et Sviblova. La tour Sviblova, la plus haute et la plus puissante, contrôlait le cours de la rivière Moscou et la route vers les portes de Pâques. Sa hauteur atteignait 34,6 m, et son diamètre, 13,8 m. La tour Kolomna, haute de 34,4 m, contrôlait la route Moscou-Riazan et était ornée de machicoulis décoratifs. Elle est liée à la légende de Marina Mnishek, ce qui lui a valu le nom de "Marinkina". L'entrée principale du kremlin se faisait par les portes de Spassky, ou de Pâques, qui représentaient une tour à trois niveaux avec une plateforme de guet. Les portes d'Ivan au sud-ouest du kremlin ressemblaient à celles de Pâques et avaient également des grilles. La tour Granovita au sud de la tour Kolomna était à cinq niveaux et hexagonale à l'extérieur. Du côté est se trouvaient des tours quadrangulaires : Yamskaya, Spasskaya et Pogorelaya. Du côté ouest, entre les tours Sviblova et Kolomna, se trouvaient probablement six tours qui n'ont pas survécu jusqu'à nos jours. Les portes d'Eau donnaient sur la rivière Moscou, à proximité se trouvait la tour Tainitskaya avec un passage souterrain vers l'eau. Les portes obliques avaient un passage en forme de L et étaient situées sur la colline oblique. Les portes de la meunerie menaient à un moulin sur la rive opposée de Kolomenka et avaient une tour d'entrée, qui a été démolie plus tard. Entre les tours Granovita et Kolomna se trouvait l'arcade des portes de Malakhov, construite dans la seconde moitié du 16ème siècle.

En août 1531, la construction du kremlin était achevée. Construit sur le modèle de celui de Moscou, il lui était légèrement inférieur. Au 17ème siècle, lorsque les frontières de l'État se déplacèrent vers le sud, la forteresse perdit son importance défensive. En 1606, la ville fut capturée par les troupes d'Ivan Bolotnikov, et pendant le Temps des Troubles, elle fut à plusieurs reprises pillée par les envahisseurs polono-suédois. Néanmoins, Kolomna a pleinement rempli sa fonction, devenant un symbole d'inaccessibilité de l'État russe. Les ennemis steppiques n'ont jamais pu s'emparer de cette forteresse en combat ouvert, servant de bouclier fiable à Moscou depuis le sud.