Sembla ser que aquesta estructura es va mantenir més o menys aïllada fins a mitjans del segle XVII, sense cap altra construcció important al cim, i només es va ampliar amb una caseta al costat de la torre per aixoplugar els vigies dels llamps, i que, posteriorment, s’ampliaria com a casa del guarda.
Com a conseqüència de l’inici de la Guerra dels Segadors (1640-1652) es va ordenar emmurallar el farell amb un fortí, i que representava l’inici de la militarització de la muntanya i de la seva importància com a talaia defensiva. Va ser el 1640 quan, davant del perill d’un setge naval a la ciutat per part de la flota espanyola de Felip IV, el govern municipal del Consell de Cent va decidir fortificar el cim de Montjuïc. La població es va mobilitzar davant la necessitat de defensar la capital i va procedir a construir, en trenta dies, una fortificació de petites dimensions de planta quadrangular que comptava amb quatre mitjos baluards a les cantonades. Aquests estaven dotats de troneres per disposar l’artilleria i així poder cobrir amb foc creuat qualsevol sector de la muralla, donant cabuda a uns pocs mosqueters i a unes dotze peces d’artilleria. La construcció estava custodiada per un dels terços de la ciutat, integrats per gremis (sabaters, sastres, etc.), soldats francesos i alguns miquelets. Des d’aquesta estructura defensiva es van refusar les tropes de Felip IV en l’anomenada Batalla de Montjuïc, que va tenir lloc el 26 de gener de 1641.
Posteriorment, el 1643, el Consell de Cent i la Junta de Guerra van promocionar la reedificació del fortí gràcies a la seva nova importància estratègica. Es va acordar que la torre tingués la mateixa alçada que els baluards, així com diverses modificacions als parapets. També es va construir una habitació al replà de l’escala de la torre per emmagatzemar els barrils de pólvora i les bales. Finalment, es van col·locar cadenes i proteccions metàl·liques a les portes i un pont llevadís. Amb la presa de Barcelona per part de Felip IV (1652), el Castell va passar a titularitat monàrquica i s’hi va instal·lar una guarnició permanent. A finals de segle XVII van tenir lloc una sèrie d’atacs i setges marítims en el context de la Guerra dels Nou Anys (1688-1697), que van impulsar una nova millora del Castell, encarregada a l’enginyer militar Lorenzo Tossi. Finalment s’hi va construir una ciutadella amb l’antic recinte a dins i amb tres baluards defensius i un frontis rectilini orientat al mar.