后，市政府提出了修复教堂的要求，2005年灯具公司迁出，教堂腾空。在中科院郑时龄院士推荐下，最终交由同济大学建筑系常青教授负责此项工作。在修复设计中，不想新天安堂又遭遇“灭顶之灾”，2007年1月24日凌晨，新天安堂突遇大火，将建筑物烧得面目全非。此后两年，新天安堂残存的“躯体”外被安装了脚手架。有一天，脚手架被撤去，新天安堂“神秘失踪了”。  

后来，新天安堂修复工程的负责人澄清，这座建筑没有消失，正在“落架大修”。什么是“落架大修”？负责人解释：先用人工的方法，小心翼翼地把新天安堂原有的建筑材料一件一件拆卸下来，包括砖、砖拱、木料等，全部编号存放，复建时全部使用再“装配”起来，从而最大限度地保留建筑的历史元素。为此，专门到外地采购百余年历史的木梁、青砖，使之与这座教堂的百年历史相匹配。

但也有不少建筑专家提出质疑，所谓的“落架大修”实际上属于重建，完工后的新天安堂已经不可能再是一幢原汁原味的历史建筑，它只是一个复制品。同济大学建筑系教授常青说，按建筑学的常识，只有木质结构的建筑可以“落架大修”，砖木结构的建筑拆了就再也装不起来了。

对此，市文管会一处长表示，文物的一个基本特点，就是毁坏后便消失了，不可能修复。如果把新天安堂当作一件文物，大火之后，确实没有还原的可能，现在我们努力的方向，希望尽可能地在复制品中保留历史元素。
   2010年上海世博会前，新天安堂完成了重建。