La storia del complesso monumentale denominato "castello" coincide e riflette la storia della città di Piombino. La sua forma attuale è infatti il risultato di più fasi costruttive, comprese tra il XIII e il XIX secolo. Nel corso del XII secolo, Piombino era già un importante nucleo fortificato controllato da Pisa. A quel tempo, poco al di fuori dell'originaria cinta urbana, dove poi si svilupperà il Castello, si trovava un'area cimiteriale, rinvenuta durante gli scavi, che fu quasi completamente distrutta nei primi decenni del XIII secolo. Nel 1235, infatti, come attesta l'epigrafe trovata nel corso dei lavori, il Comune decise di ingrandire la cinta urbana, costruendo nel luogo di sepoltura parte delle mura ed una grande torre-porta, che il restauro ha riportato alla luce nella sua interezza. L'usanza di seppellire in quest'area urbana fu ripresa non appena la porta, all'inizio del XIV secolo, venne tamponata per motivi economici e di sicurezza. Nella seconda metà del Trecento, anche la seconda area cimiteriale fu obliterata con la costruzione di una fortificazione, addossata alla cinta, voluta da Pisa per controllare la città, in seguito a disordini e rivolte locali. Quando, alla fine del XIV secolo, si formò con Gherardo d'Appiano lo Stato di Piombino, la città fu interessata da nuove opere di fortificazione che riguardarono anche il Castello. Nella prima metà del Quattrocento, la precedente fortezza pisana fu raddoppiata in volume e trasformata in una più grande struttura difensiva, capace di contenere un maggior numero di armati. L'ultima importante trasformazione avvenne alla metà del XVI secolo quando, per volere di Cosimo I dei Medici, fu costruita una fortezza, progettata dall'architetto Giovanni Camerini. Il Castello si trovò così all'interno di un ampio spazio, delimitato da una cortina muraria provvista di quattro bastioni angolari. La realizzazione della fortezza comportò inoltre il raddoppio delle mura perimetrali del Castello, il rialzamento della copertura e l'allestimento di nuovi solai e divisori interni. In seguito, il complesso architettonico rimase un importante avamposto difensivo, utilizzato durante le varie occupazioni militari di Piombino tra XVII e XIX secolo. Ai ridotti interventi di questo periodo risale la grande cisterna, riportata alla luce con gli scavi e valorizzata nel restauro. Dalla seconda metà dell'Ottocento fino al 1960, il Castello fu adibito a carcere: in relazione alla nuova funzione, nel 1888 e 1901 vennero costruite ventotto celle. A testimonianza di questo periodo, sono state conservate alcune celle del piano terreno e una parete di scritte e disegni dei detenuti, restaurati, al piano superiore.
L'obiettivo principale dell'intervento di restauro, presentato a Roma in occasione del IV convegno nazionale Manutenzione e recupero nella città storica (Roma, 7-8 giugno 2001), è stato quello di riportare il Castello al momento di massima organicità, individuato nella fase tardo cinquecentesca, senza rinunciare tuttavia ad una lettura delle stratificazioni appartenenti alle fasi più significative della sua storia edilizia. Fino alla trasformazione in prigione, il Castello aveva mantenuto il suo carattere originario di struttura militare e le numerose sovrapposizioni ed aggiunte sono da considerare fisiologiche e coerenti con un processo evolutivo condizionato per lo più dalle tecniche di difesa succedutesi nei secoli. La funzione carceraria ha invece completamente stravolto l'assetto architettonico maturato nel tempo: buona parte degli ambienti furono suddivisi in tante piccole celle, le finestre modificate e munite di pesanti grate metalliche, gli accessi originari chiusi e trasformati.
La prima operazione è stata quindi la demolizione delle superfetazioni di quest'epoca, che impedivano la percezione delle monumentali strutture inglobate nel Castello, prima tra tutte la porta duecentesca. L'intervento più rilevante, dal punto di vista architettonico (anche perché ha inciso con molta evidenza sul profilo urbano), è stata la ricostruzione dell'altana sopra il terrazzo di copertura realizzata, grazie alla scoperta dei quattro originari pilastri angolari, con una volumetria molto vicina a quella originaria. Grande attenzione è stata rivolta all'uso di materiali e tecniche tradizionali: tutte le nuove murature sono state realizzate con pietra o mattoni, utilizzando malte a base di calce idraulica, senza aggiunta di cemento; analogo trattamento è stato riservato agli intonaci, eseguiti con malte di calci pregiate a colorazione naturale. Solai, scale e ballatoi sono stati ricostruiti in legno, su modello di quelli preesistenti. Anche le pavimentazioni sono state oggetto di particolare cura: ai piani superiori sono state posate pianelle di laterizio fatte a mano all'uso toscano e lastre in pietra arenaria invecchiata; al piano terreno, sono state ricollocate le bellissime basole in granito dell'Elba preesistenti, integrate con materiale della stessa qualità proveniente dai depositi comunali, con risultato di grande effetto.