Unter Kurfürst August I. wurde die Burg wieder aufgewertet und erhielt von 1563 bis 1569 mit 152,5 m Tiefe einen bergmännisch vorgetriebenen Brunnen für die dauerhafte Wasserversorgung. Unter Christian I. begann 1589 der systematische Ausbau zur Landesfestung. Der stark zerklüftete Tafelberg wurde rundherum mit hohen Mauern abgeschlossen. Es entstanden das Torhaus, die Streichwehr, die Alte Kaserne, die Christiansburg (Friedrichsburg) und das Alte Zeughaus. Der Königstein wurde Fluchtburg, Schatzkammer, Archiv und Staatsgefängnis. Mehrmals wurde die Festungsanlage erweitert und umgebaut, letztmalig 1871. Die Festung wurde niemals erobert.
Letztmalig erhielt die Burg 1813 durch die französischen Truppen eine militärische Bedeutung als Eckpfeiler der Verteidigungslinie Napoleons an der Elbe und als Elbübergangssicherung. Der moderne Bewegungskrieg machte später die Festung fast nutzlos. Neben der Nutzung der Festung in Kriegszeiten für den Dresdner Hof und den Staatsschatz als sicherer Rückzugsort war sie bis 1922 das bekannteste Staatsgefängnis Sachsens. Prominente Gefangene waren die Staatskanzler Krell und der Graf von Beichlingen, der Alchemist Böttger und der Diplomat Patkul. Zunehmend wurde das Gefängnis ein Unterdrückungsinstrument gegen die bürgerlichen Demokraten Moßdorf und Bertholdy, dann für die Barrikadenkämpfer von 1849, den Anarchistenführer Bakunin, den Vorsitzenden der Sozialdemokraten Bebel. Im Jahr 1871 und in den Weltkriegen war es Kriegsgefangenenlager.
