W latach 1764–1782 kościół przebudowano na murowany, w stylu późnobarokowym. Budowę rozpoczął ówczesny proboszcz – ks. Antoni Jaszczołt, który zmarł w 1764 r., doprowadziwszy budowę do poziomu okien. W 1768 r. zakończono murowanie świątyni. Przebudowę zakończył w 1782 ks. Michał Fiedorowicz. Nowa świątynia posiadała dwie wieże, ołtarz główny i dwa ołtarze boczne, murowaną posadzkę oraz piwnice składające się z 12 katakumb, znajdujące się pod całą powierzchnią świątyni. 11 czerwca 1783 r. (wg tablicy znajdującej się w koście 13 lipca 1783 ɾ.) sufragan wileński Piotr Toczyłowski dokonał konsekracji kościoła. W ołtarzu umieszczono relikwie świętych męczenników Klemensa, Fauzaniusza, Eutropiusza i Donata.
W 1812 kościół został zajęty przez wojska napoleońskie i zamieniony na skład żywności. Remont budynku około 1825 roku prowadził proboszcz ks. Mateusz Cieślakiewicz. W 1840 roku pożar zniszczył wieże kościoła.
W 1865 roku karmelici bosi opuścili Głębokie. Wówczas z kościoła poklasztornego do kościoła parafialnego przeniesiono uważany za cudowny obraz Matki Bożej Podchórnej oraz figurę Jezusa Cierpiącego, która 10 sierpnia 1763 roku od godziny 17.00 do 22.00 miała "pocić się w cudowny sposób".
Po powstaniu styczniowym obowiązywał zakaz remontu pomieszczeń religijnych należących do wiernych obrządku rzymskokatolickiego, lecz kościół głębocki miał na tyle spodobać się Carskiej Komisji Architektonicznej, że nie tylko zezwoliła na remont, lecz wyraziła zgodę na jego rozbudowę.
W 1902 roku rozpoczęła się gruntowna rozbudowa kościoła, zakończona w 1908, w wyniku której świątynia powiększyła się poprzez dodanie bocznych naw i transeptu. Podwyższono wieże. Początkowy projekt opracował J. Zaro, lecz w 1908 roku zakończono przebudowę według projektu wileńskiego architekta Adama Dubowika. Wykonawcą prac budowlanych był głęboczanin majster Józef Romanowski. Nowe części kościoła poświęcił w 1908 roku ks. Jan Kurczewski, prałat kapituły wileńskiej i znany historyk.
Świątynia została zniszczona w czasie zdobywania miasta przez Armię Czerwoną w 1944 roku i odbudowana przez ks. A. Zienkiewicza.
Generalny remont kościoła parafialnego rozpoczął ks. Władysław Zawalniuk (1987–1990). Prace te kontynuował ks. Cyryl Klimowicz (1990-1999), a dokończył ks. proboszcz Krzysztof Witwicki (2000-2003). Za kadencji następnego proboszcza, ks. Krzysztofa Mikołajczyka odnowiono świątynię i wyremontowano organy.
W 2012 roku podczas budowy linii elektrycznej kilka metrów od ogrodzenia kościoła, robotnicy znaleźli dzwon odlany w Warszawie w 1882 roku. Prawdopodobnie zakopano go podczas II wojny światowej, by nie został przetopiony przez Niemców
(4 realizacje)
