La cubierta presenta una garita en cada ángulo y en el lado de mar se ubican la cisterna y los calabozos originales del fortín. El patio de armas era el centro neurálgico de la fortificación y servía para la gestión, formación e instrucción de las tropas. Además, el pavimento inclinado de la plaza permitía la recogida del agua de la lluvia, y la del tejado, a través de la cisterna subterránea.

El edificio que acoge el patio, tal como lo vemos hoy en día, no formaba parte del proyecto inicial planteado por Cermeño, quien situó los pabellones para el alojamiento y los servicios de la guarnición tras las cortinas o muros principales del recinto superior. El proyecto inicial se modificó y en él se construyó la edificación que encontramos hoy en día.

El traslado de los correccionales militares de la ciudad al Castillo supuso la reorganización de los usos de algunos espacios de la fortaleza, como es el caso de los pabellones adyacentes al patio de armas, de los cuales alguno se usó como dependencia penitenciaria. Al acabar la Guerra Civil (1939), Montjuïc mantuvo su función de centro de detención de miembros del bando republicano. Pese a que durante los primeros meses fue utilizado como centro de concentración y clasificación de prisioneros republicanos, pronto pasó a asumir solo las funciones de prisión, para lo que se habilitaron los pabellones del patio, para oficiales y jefes del ejército republicano.

El presidente de la Generalitat Lluís Companys ingresó en los calabozos del Castillo el 3 de octubre de 1940 y se quedó allí hasta el 15 del mismo mes, cuando fue fusilado en el foso de Santa Eulàlia. Durante su estancia en el Castillo estuvo encerrado en la cámara destinada al sacerdote castrense; disponía de una mesa, una cama y un lavabo y era similar a las habitaciones destinadas a los oficiales y sargentos de guarnición del Castillo. Los testimonios aseguran que la suya era una de las cuatro estancias que se veían a mano izquierda, entrando por el patio de armas, pues tenían ventanas con rejas. La sala en la que tuvo lugar el Consejo de Guerra contra Companys estaría situada en el ala que da al hornabeque, seguramente en la antigua sala 20 del Museo Militar.

La transformación de los pabellones del patio de armas en oficinas, servicios y salas del museo militar a partir de 1960 comportará la última gran remodelación. Se eliminó el revestimiento original de les fachadas y de la galería porticada, y en el centro del patio se colocó una estatua ecuestre de Franco que no fue retirada hasta la cesión definitiva del Castillo al Ayuntamiento, en 2007.

Actualmente, cuatro salas del patio de armas alojan el Centro de Interpretación del Castillo de Montjuïc. En la segunda sala se puede ver un tramo, bastante bien conservado, de uno de los cuatro baluartes que reforzaban la defensa de los ángulos del primitivo fortín, construido en 1640 (en treinta días) por soldados y población civil.