Il Rivellino della Porta a terra, il Castello e alcuni tratti di mura nella zona della Cittadella costituiscono le uniche testimonianze della secolare storia delle fortificazioni di Piombino, particolarmente importanti sotto il profilo dell'ingegneria militare e associate al nome di Leonardo da Vinci.

Al secolo XIII risalgono il Cassero pisano, porta a sud della città, inglobato nel Castello della Fortezza Medicea, il Torrione della Porta a Terra e la Rocchetta, fortilizio stretto e lungo costruito sullo sperone di roccia di fronte all'isola d'Elba (oggi sostituito da un faro). Nel 1447, per volere di Rinaldo Orsini, fu costruito davanti alla porta a terra il Rivellino, un'imponente fortificazione semicircolare per il cui tracciato geometrico furono utilizzate le regole euclidee. Circondato da un fossato e con una sola apertura, dotata di ponte levatoio, doveva assolvere un'azione di fiancheggiamento dei settori orientale e occidentale del fronte di terra. L'opera difensiva presenta all'esterno un rivestimento di lastre di tufo. All'interno doveva essere dotata di una struttura lignea che la divideva in piani; un pozzo, ora interrato, lascia ipotizzare che vi fosse una vasca di raffreddamento delle bombarde. Nella seconda metà del secolo XV fu edificata, sul colle di Santa Maria, la Cittadella, residenza fortificata del Signore di Piombino. La configurazione della cinta muraria agli inizi del secolo XVI presentava una pianta a losanga molto allungata e doveva apparire piuttosto imponente.

Piombino e le sue fortificazioni furono oggetto di studio da parte di Leonardo da Vinci, che soggiornò nella cittadina tirrenica prima nel 1502, al servizio di Cesare Borgia, in qualità di ingegnere militare, poi nel 1504 al seguito della legazione inviata da Cosimo I de' Medici e guidata da Nicolò Machiavelli.

Durante la prima visita, Leonardo si occupò in particolare della bonifica della zona paludosa circostante e del collegamento tra le fortificazioni della città e il tessuto viario interno, come dimostrano alcuni disegni presenti nel Manoscritto L (conservato all'Institut de France a Parigi). Alle fortificazioni è dedicato un disegno del Codice Atlantico (conservato presso la Biblioteca Ambrosiana di Milano), nel quale è riportata una pianta delle mura della città con lo studio di un nuovo sistema difensivo della parte a terra (il progetto è però attribuito, da alcuni studiosi, ad Antonio da Sangallo il Vecchio).

Durante la seconda visita si dedicò con più attenzione al sistema difensivo di Piombino, studiandone sia l'intera configurazione, sia i singoli elementi. I progetti che ne scaturirono, presenti nel Manoscritto Madrid II (Manoscritto "8936", conservato presso la Biblioteca Nacional di Madrid), riguardano principalmente la costruzione di nuovi fossati sul tratto a terra, l'erezione di una torre esterna alle difese del Castello e la realizzazione di un nuovo porto in sostituzione del Porticciolo. Particolare attenzione pose, infine, al nuovo assetto difensivo del colle di Santa Maria, dove si ergeva la Cittadella. In quest'ultimo settore fu edificato un tratto di mura, in parte conservato ancora oggi.