С середины XVI в. техника изготовления артиллерийских орудий несколько меняется. В Москве начинают лить первые чугунные орудия, некоторые из которых достигали огромных размеров. Так, в 1554 г. была изготовлена чугунная пушка калибром ок. 66 см (26 дюймов) и весом 19,6 т. (1200 пудов), а в 1555 г. — другая, калибром ок. 60,96 см (24 дюймов) и весом в 18 т (1020 пудов).

Русскую артиллерию того времени высоко оценивали многие современники, одним из самых примечательных стал отзыв Д. Флетчера: «Полагают, что ни один из христианских государей не имеет такого хорошего запаса военных снарядов, как русский царь, тому отчасти может служить подтверждением Оружейная Палата в Москве, где стоят в огромном количестве всякого рода пушки, все литые из меди и весьма красивые». Эрик Пальмквист, посетивший Россию в 1674 г., был удивлен хорошим состоянием русской артиллерии, в особенности наличием больших орудий, аналогов которым не было в Швеции.

Наличие собственных квалифицированных мастеров, способных изготовлять орудия разных типов и калибров, а также действия ряда пограничных государств (Литвы, Ливонии), стремившихся ограничить проникновение на Русь европейской военной технологии, вынуждали московское правительство рассчитывать на свои силы при создании новых образцов артиллерийского вооружения. Однако вывод А. В. Муравьева и А. М. Сахарова о том, что с 1505 г. «в Москву уже не приезжали иностранные мастера пушечного дела», звучит слишком категорично. Известно, что в 1550–1560-х гг. в русской столице работал иноземный мастер Кашпир Ганусов — учитель Андрея Чохова. В годы русско-шведской войны 1554–1556 гг. и Ливонской войны в русскую службу зачисляли всех выказавших такое желание артиллеристов и мастеров из числа пленных шведов и немцев. Наконец, в 1630 г., накануне Смоленской войны 1632–1634 гг., шведский король Густав II Адольф направил в Москву голландского пушечного мастера Юлиса Коета с другими специалистами, знавшими секрет отливки легких полевых орудий — принципиально нового типа артиллерийского вооружения, благодаря которому шведы одержали множество громких побед. Другой посланец Густава II Адольфа Андреас Винниус (Елисей Ульянов) начал строить тульские и каширские оружейные заводы.

В середине XVII в. в 100 городах и 4 монастырях, находившихся в ведении Пушкарскарского приказа, находилось на вооружении 2637 орудий. 2/3 из них были бронзовые, остальные — железные. В случае необходимости использовались и «урывки» — пушки и пищали, стволы которых получили повреждения (разорвались при стрельбе), но из которых еще можно было вести огонь по неприятелю. Из общего числа орудий в 2637 единиц лишь 62 не годились для боя.

Важным техническим новшеством явилось употребление калибровочно-измерительных циркулей — «кружал», нашедших широкое применение при литье пушек и ядер. Эти приспособления впервые упомянуты в грамоте, направленной в Новгород 27 ноября 1555 г., вероятно, применялись и раньше. С помощью кружал проверяли диаметры стволов и ядер, предназначенных для того или иного вида пушки с тем, чтобы зазор между ядром и каналом ствола обеспечивал скорость заряжания и надлежащую силу выстрела. C этой же целью для обмотки ядер использовали холст, картон и лен, другие уплотнительные материалы, а готовые ядра хранили в специальных «коробах» — прообразе будущих зарядных ящиков. Об использовании в артиллерийском деле подобного рода подручных материалов свидетельствуют дошедшие до нас документы. Так, во время русско-шведской войны 1554–1557 гг., накануне Выборгского похода в Новгород прислали московских пушкарей, которые должны были научить новгородских кузнецов делать «огнестрельные ядра», возможно, прообраз будущих зажигательных снарядов. Для изготовления их требовалось: «десять холстов, да триста листов бумаги добрые болшие, которая толста, да двадцать два пятька лну мягкого малого, да восмь ужищ лняных, по двадцати сажен ужищо, каковы выберут пушкари, да восмь коробок на ядра и на мешки, да осмеры возжи лычные, да двадцать гривенок свинцу, да восмь овчин». По-видимому, снаряды изготовляли, заворачивая железные ядра в несколько слоев плотной бумаги и ткани, возможно пропитанных горючим составом (смолой и серой), оплетая затем прочными льняными «ужищами».

Несмотря на появление в середине XVI в. колесных лафетов, в XVI и XVII вв. к месту сражения «великие пушки» и мортиры, их «волоки» и «станы с колесы» доставлялись на подводах либо на речных судах. Так, ранней весной 1552 г. перед началом подготовки Казанского похода в Свияжск из Нижнего Новгорода вниз по Волге осадная артиллерия русской армии была доставлена на стругах. Во время зимнего Полоцкого похода 1563 г. большие стенобитные пушки, по словам очевидца, везли волоком, по-видимому, на санях. «Первое стенобитное орудие тащили 1040 крестьян. Второе — 1000 крестьян. Третье — 900 крестьян. Последнее — 800 крестьян». Как правило, пушечные лафеты изготовляли в Москве. В источниках только один раз упоминается об изготовлении 8 «станов» под орудия в Белгороде.

Первый пороховой завод («зелейная мельница») был построен в Москве в 1494 г., однако на протяжении многих десятилетий изготовление пороха являлось обязанностью тяглого населения. Сохранилось официальное распоряжение властей, согласно которому в 1545 г. перед очередным походом на Казань, новгородцы должны были изготовить для предстоящей войны и внести в казну по пуду пороха с 20 дворов, «со всех дворов чей двор ни буди». В результате собрали необходимые 232 пуда пороха и около трехсот рублей деньгами с тех, кто предпочел откупиться от этой повинности.

В первой половине XVI в. московский Пороховой двор находился неподалеку от Пушечного двора на реке Неглинной около Успенского оврага, в «Алевизовском дворе». В то время это был крупнейший в стране центр «зелейного» производства, с большим числом работающих. Свидетельством служит летописный рассказ о произошедшем здесь в 1531 г. пожаре, во время которого погибло «болею дву сот человек» мастеров и работников. Во второй половине XVI в. крупные «зелейные дворы» работали в Пскове, Вороноче, Острове, Костроме, Коломне, Серпухове, Муроме, Боровске, Туле, Переяславле-Рязанском. Возросшие масштабы производства пороха требовали увеличения добычи селитры. Разработка почв, содержащих азотнокислый калий, была налажена на Белоозере, в Угличе, Бежецке, Костроме, Пошехонье, Дмитрове, Клину, Вологде, во владениях Строгановых в Приуралье и других районах.

В качестве боевых снарядов русские пушкари использовали каменные, железные, свинцовые, медные, позднее чугунные ядра, а также их комбинации — источники упоминают каменные ядра, «обливанные» свинцом, железные «усечки», также облитые свинцом или оловом. Широко применялся «дроб» — рубленные куски металла («дроб железный сеченный»), камни, но чаще всего — кузнечный шлак. Такие снаряды использовались для поражения живой силы противника. Железные ядра выковывались кузнецами на наковальнях, а потом обтачивались. «17 тощил железных, на чем железные ядра гладят» упоминаются в росписи орудиям и запасам, хранившимся в Новгороде даже в 1649 г. В годы Ливонской войны 1558–1583 гг. русские артиллеристы начали использовать «огнистые кули», «огненные ядра» (зажигательные снаряды), а позднее — каленые ядра. Массовое производство «огненных ядер» было налажено русскими мастерами в середине XVI в. накануне Ливонской войны. Разные способы изготовления зажигательных снарядов подробно изучены Н. Е. Бранденбургом. Первый способ достаточно прост: каменное ядро перед выстрелом покрывалось горючим составом, приготовленным из смолы и серы, а затем выстреливалось из орудия. Впоследствии технология изготовления такого рода снарядов усложнилась: полое металлическое ядро, заполненное горючими веществами, помещалось в мешок, оплетавшийся веревками, затем он осмаливался, погружался в растопленную серу, снова оплетался и снова осмаливался, а потом использовался для зажигательной стрельбы. Иногда в такое ядро вставлялись обрезки ружейных стволов, заряженные пулями для устрашения неприятеля, решившего тушить начавшийся пожар. Более простой, но достаточно эффективной была стрельба калеными ядрами. При подготовке выстрела пороховой заряд закрывался деревянным пыжом, обмазанным слоем глины в палец толщиной, а затем специальными щипцами в канал ствола опускалось раскаленное на жаровне железное ядро. Такими ядрами артиллерия польского короля Стефана Батория обстреливала в 1579 г. русские крепости Полоцк и Сокол, в 1580 г. Великие Луки, в 1581 г. Псков. Использование противником зажигательных снарядов подобного типа вызвало гневные протесты Ивана Грозного, назвавшего «лютым зверством» применение каленых ядер для обстрела русских городов. Однако новинка прижилась на Руси и вскоре московские мастера начали лить «огненные пищали» для стрельбы точно такими же ядрами. В то же время необходимо признать ошибочным упоминание некоторыми отечественными исследователями о случаях использования русскими артиллеристами в годы Ливонской войны «зажигательных бомб».