Mentre si operava nelle difese, le grandi famiglie volterrane dettero il via a numerose trasformazioni dei loro palazzi secondo i modelli elaborati dalla cultura architettonica fiorentina. La probabile presenza di Michelozzo nel cantiere del convento di San Girolamo a Velloso (1445) e di Antonio da San Galllo il vecchio, nella ristrutturazione della "Vendita" (attuale palazzo vescovile) potrebbe aver facilitato la diffusione dei modelli fiorentini: case e palazzi come quelli delle famiglie Pilastri, Ricciarelli, Minucci e Gherardi conoscono un rimodernamento delle facciate e un adeguamento delle antiche torri al nuovo gusto diffuso dalla città dominante.
Nel 1530, in un'ultima disperata speranza di riacquistare le libertà perdute, Volterra si ribellò ai fiorentini in guerra con i Medici, alleandosi con questi ultimi, ma fu ripresa e nuovamente saccheggiata dal Ferrucci. Restaurati i Medici a Firenze, Volterra perse definitivamente la propria indipendenza, e divenne una delle città dello stato mediceo di cui seguì le sorti; ma con il dominio granducale inizia per Volterra e il suo territorio un perido di lenta ma progressiva decadenza che si protrarrà fino a tuto il XVIII sec.
La ripresa della lavorazione dell'alabastro verso la metà del XVI si realizzò quasi esclusivamente come fatto d'arte e non si orientò verso indirizzi commerciali. Anche il tessuto insediativo non mostra grosse trasformazioni; si possono trovare alcuni interventi di completamento, come palazzo Inghirami (facciata realizzata su progetto di Gherardo Silvani) e di nuove costruzioni soprattutto religiose, fra le quali spicca la riedificazione della chiesa dei SS. Giusto e Clemente.