Montjuïc esdevindria lloc commemoratiu dels vencedors (amb celebracions religioses), de memòria als Caídos (amb un monument inaugurat al fossat de Santa Elena) i d’escenari dels consells de guerra. D’aquesta manera va recuperar el paper de presó militar d’oficials i caps de l’exèrcit republicà. Dos dels més coneguts van ser el coronel Escobar i el president de la Generalitat, Lluís Companys.
El coronel Antonio Escobar Huerta va ser el cap del 19è Tercio de la Guardia Civil de Barcelona, que es va mantenir fidel a la República, lluitant en diversos fronts durant la Guerra Civil. Finalment va rendir-se a Ciudad Real i posteriorment va ser traslladat a Madrid on va ser sotmès a un procés sumaríssim per l’Audiència el juliol de 1939, per acabar sent reclamat per l’Audiència de Barcelona, on tenia causa oberta resolta contra els que havien estat els altres caps de la Guàrdia Civil, el juliol de 1936. El 7 de desembre va ingressar al Castell de Montjuïc i el 21 va tenir lloc el consell de guerra que va condemnar-lo a mort, malgrat els intents per indultar-lo. Finalment va ser afusellat el dia 8 de febrer a les sis de la matinada, agenollat i amb un crucifix a les mans.
El cas que va assolir, però, més transcendència política i simbòlica va ser el de l’empresonament i execució del president Lluís Companys. El 13 d’agost de 1940 va ser arrestat a La Baule, a la França ocupada per l’exèrcit alemany, per ordre de les autoritats espanyoles, i reclòs a la presó parisenca de La Santé, des de la qual va ser entregat a l’Espanya franquista. Després d’uns dies a la Direcció General de Seguretat de Madrid va ser traslladat a Barcelona i va ingressar a Montjuïc, on va romandre reclòs i aïllat dels altres presos, a les cel·les del capellà castrense situades al pati d’armes del Castell. El 3 d’octubre es va iniciar un procés judicial que es va concloure en tan sols deu dies, de manera que el 14 d’octubre de 1940 tenia lloc un consell de guerra sumaríssim que va durar menys d’una hora i va acabar amb sentència de pena de mort. Els fets que se li van imputar van ser oposar-se a l’Alzamiento i tolerar els crims a la rereguarda, a més del de rebel·lió militar. El 15 d’octubre, a les sis de la matinada, va ser afusellat al fossat de Santa Eulàlia. El Castell va quedar profundament marcat per aquest crim.
Aquest caràcter de presó militar es va mantenir fins el 1960, tot i que amb una certa decadència. Llavors va ser cedit parcialment a la ciutat, tal com va escenificar el general Franco en una visita a Barcelona. El govern central seguia amb el control del nou patronat, gestionat a través del capità general i obligat a construir-hi un museu militar que havia de ser finançat per l’Ajuntament. El 1963 es va col·locar una estàtua eqüestre de Franco al centre del pati d’armes.
Contemporàniament es va dur a terme la darrera reforma destacada del Castell, a càrrec de l’arquitecte Joaquim Ros de Ramis, que va suposar una transformació important del conjunt, sobretot del primer recinte que va perdre la seva condició de caserna militar per tal de ser adequat com a Museu Militar i parc públic. El nou projecte només afectava la planta del pati d’armes, les casamates i les cobertes, així com el repicat de paret i sostres per tal de deixar a la vista les rajoles. A més es va reconstruir el pont llevadís, es va portar llum elèctrica a diversos espais i aigua corrent als sanitaris, i es van dur a terme diverses tasques de fusteria. En una segona fase d’aquesta intervenció es van condicionar les naus de sota la muralla de mar, que també havien de formar part del nou equipament. El Museu Militar va ser inaugurat el 24 de juny de 1963.