La fortezza, unica in Toscana, ha una struttura che riprende la forma antropomorfa teorizzata da Francesco di Giorgio Martini per la ”città ideale”. E’ un’opera di fortificazione bastionata, poligonale, inseribile in un rettangolo dotato ai quattro vertici di bastioni e proteso verso la valle, su

E’ composta essenzialmente da un cassero, o cittadella, posto sul lato est della collina e da un ampio circuito murario programmaticamente interrotto sul lato nord est, dove si intendevano riusare le mura superstiti dell’insediamento di XII/XIII secolo. La sua costruzione procedette con discontinuità; si alternarono infatti lunghi intervalli di sospensione dei lavori e cambiamenti di progetto.

Firenze destinò al cantiere, oltre che un ampio numero di maestranze specializzate (muratori, tagliatori, spianatori, fornaciai, carpentieri ecc.), centinaia di prigionieri pisani.

La costruzione della fortezza rinascimentale colpì pesantemente i depositi archeologici più antichi ed in particolare i resti delle strutture relative a Poggio Bonizio. La zona della piazza lastricata con la grande cisterna subì i maggiori danni essendo impiegata come zona per la produzione della calce e sottoposta ad una sistematica spoliazione delle strutture murarie qui presenti. Altre tracce dell'attività cantieristica 'cinquecentesca sono individuabili nell’escavazione di molte trincee di spoliazione allo scopo, anche qui, di recuperare pietre. Infine attraverso la ricognizione di superficie sono state individuate due chiare concentrazioni di reperti mobili riferibili a fornaci per mattoni.

La cittadella non sembra avere mai funzionato pienamente e fu presidiata da truppe fiorentine, male armate, solo per alcuni decenni. Durante la cosiddetta “guerra di Siena”, fra il 1554 ed il 1555, non ebbe un ruolo strategicamente importante nel quadro dell’organizzazione militare come dimostra la sua destinazione a deposito di vettovagliamento per l’esercito fiorentino in Valdelsa.
Con la definitiva annessione di Siena al Ducato mediceo del 1557, la fortezza perse ogni funzione strategica ed agli inizi del XVII secolo venne disarmata. Alla metà del XVIII secolo l'intera area fu concessa a livello al cavaliere Alamanno de' Topi e sino ai nostri giorni è rimasta adibita ad uso agricolo. Questa destinazione ha permesso la conservazione del complesso (non vi è stato costruito nè ha subito riutilizzi) ma al tempo stesso ha causato gravi danni e stati di degrado avanzato.