Caduta la città in mano agli Spagnoli prima e ai Fiorentini poi, nel 1560 Cosimo I de' Medici fece costruire una fortezza col precipuo compito di fungere da presidio contro eventuali tentativi da parte dei senesi di riconquistare l'indipendenza. La costruzione sorge sul luogo della vecchia fortezza spagnola, rasa al suolo dai senesi nel 1552. Simbolo del potere acquisito dai Medici sulla città di Siena, non meraviglia il fatto che essa fu mantenuta con cura per un paio di secoli, mentre le mura furono lasciate praticamente in stato di abbandono.

Poco oltre la metà del secolo XVI, l'ingegnere militare di origine urbinate Baldassarre Lanci passò al servizio di Cosimo I de Medici e modificò la primitiva forma ad "L" della fortezza nella struttura quadrata visibile ancora oggi. A questo periodo risalgono gli strumenti topografici costruiti dal Lanci per la collezione del Granduca e conservati oggi all'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze.

Alla fine del Settecento, la Fortezza fu smilitarizzata e trasformata in giardino pubblico in connessione con la Lizza, una vasta area progettata da Antonio Matteucci in collaborazione con il celebre giardiniere tedesco Leopoldo Prucher.

La Fortezza, sede di mostre temporanee, ospita oggi l'associazione culturale Siena jazz che organizza corsi di formazione per musicisti e laboratori di ricerca musicale, e l'Enoteca Italiana, con mostra e degustazione dei più pregiati vini italiani.