В 1439 году по распоряжению новгородского архиепископа Евфимия II была построена каменная колокольня на прежнем месте, на крепостной стене. Некоторые исследователи, такие как К. К. Романова и Д. А. Петров, предполагали, что колокольня была восстановлена в 1455 году, когда владыка Евфимий установил каменную колокольню у Святой Софии. Однако археологические раскопки 1995 года с использованием дендрохронологии подтвердили дату 1439 года, определив, что лежни под фундаментом звонницы относятся к 1437 году. Существовало мнение, что до падения в Волхов звонница находилась на городской стене и была предназначена для небольших колоколов, а в 1455 году она стояла у юго-западного угла Софийского собора, что видно на изображении Новгородского кремля на Михайловской иконе конца XVII века. Архитектор Дмитрий Петров предположил, что декоративные элементы на стенах Софийской звонницы, такие как ниши и готические пояски, могли быть созданы западноевропейскими мастерами, участвовавшими в строительстве в Новгороде и Владычной палаты в 1433 году.

В 1530-1540-х годах, с перестройкой стены и развитием колокололитейных технологий, что привело к появлению более крупных колоколов, звонница была реконструирована. К этому времени относят и строительство одноэтажной пристройки со стороны детинца. В ходе перестройки количество пролётов увеличилось до пяти, вместо прежних трёх, а количество столбов возросло с четырёх до шести. Звонницу стали венчать пять восьмигранных кирпичных шатров, также была увеличена высота яруса звона. Исследования Ю.Э. Крушельницкого, проведённые в 1940-х годах, предполагали наличие трёх сводчатых камер между звонницей и стеной изначально, но, по мнению Д.А. Петрова, они были построены в конце XV века при возведении новых крепостных стен. О внешнем виде звонницы до реконструкции Евфимия II можно судить по изображениям на омофоре патриарха Никона, где она изображена с тремя пролётами, а о виде пятипролётной звонницы после реконструкции, по иконе «Видение пономаря Тарасия».