Na počátku husitských válek byly na Karlštejn převezeny české korunovační klenoty, které zde s krátkými přestávkami zůstaly uloženy téměř 200 let. Stavebně byl hrad po roce 1480 upraven pozdně goticky, v poslední čtvrtině 16. století potom renesančně. Při poslední stavební úpravě z konce 19. století, vedené architektem Josefem Mockerem v duchu purismu, získal hrad současný vzhled.

Kdy se na nejvyšším místě hradu tyčí monumentální šedesát metrů vysoká Velká věž a systém mohutného opevnění. K ochraně císařského korunovačního pokladu nechal Karel IV. ve druhém patře rozestavěné Velké věže upravit obytnou komnatu na kapli sv. Kříže. Kaple byla vysvěcená dne 9. února 1365.

Od 60. let 19. století se datuje úsilí o komplexní obnovu hradu podporované nacionálními aspekty. V roce 1866 Josef Mocker, Ludwig Wachter a Franz Jobst hrad detailně zaměřili a v roce 1870 předložil Friedrich Schmidt první návrhy obnovy věží a paláce. Restaurování hradu bylo zahájena s ohledem na finanční problémy až v roce 1887.

Rekonstrukce části purkrabství s hrázděným patrem, spojená s politováníhodnou demolicí původní stavby purkrabství a jeho hradeb s pozdně gotickou branou na západní straně, byla realizovaná od roku 1894, již podle projektu Josefa Mockera. Interiérové práce, především v kapli sv. Kříže, pokračovaly po Mockerově smrti v roce 1899 až do roku 1905.