Johann Konrad von Gemmingen ließ um 1600 durch Elias Holl das Schloss ausbauen und den Botanischen Garten „Hortus Eystettensis“ am Hang unter der Burg errichten.
Trotz weiterer Befestigungen konnten die Schweden unter Bernhard von Sachsen-Weimar 1633 die Burg einnehmen. Das Bayerische Heer eroberte im Oktober des Jahres die Burg zurück.
1725 zogen die Bischöfe in das neue Stadtschloss neben dem Dom Maria Himmelfahrt in Eichstätt. Die Willibaldsburg wurde Sitz einiger Ämter, später Spital und Gefängnis. Nach der Säkularisation des Bistums verkaufte das Königreich Bayern die Willibaldsburg. Einige Teilabbrüche erfolgten. 1829 kaufte Bayern die Halbruine zurück. Die Befestigungen setzte man instand. In der Burg wurde eine Kaserne eingerichtet.
Die Stadt Eichstätt übernahm 1880 die Burg und das erste lokalhistorische Museum wurde eingerichtet.
Im Jahr 1962 übernahm die Bayerische Verwaltung der staatlichen Schlösser, Gärten und Seen und begann mit einer grundhaften Sanierung.
Heute beherbergt die Willibaldsburg:
- Das Jura-Museum im Gemmingenbau mit dem Eichstätter Archaeopteryx
- Das Museum für Vor- und Frühgeschichte
- Ein Naturkundemuseum
Einer der beiden Türme kann als Aussichtsturm genutzt werden.
