La fortaleza fue fundada en 1701 por orden del zar Pedro I para proteger el canal de Arkhangelsk ante un posible ataque sueco durante la Guerra del Norte de 1700 a 1721. El proyecto fue diseñado por el ingeniero alemán Georg-Ernest Reze. Se consideraba una de las mejores fortalezas de Rusia.

Las estructuras fortificadas incluían una ciudadela cuadrada de cuatro bastiones y fortificaciones externas: fosa, foso, ravelín, camino cubierto, empalizada y glacis. Dentro de la ciudadela se construyeron dos edificios de ladrillo para el comandante y los oficiales superiores, cuatro polvorines, barracas, almacenes de municiones y una torre con un asta de bandera. En la plaza central había una iglesia de madera dedicada a San Pedro y San Pablo.

Los trabajos de construcción principales se completaron en 1705, y la formación final del complejo se llevó a cabo en 1714 con la finalización del ravelín en el lado norte de la fortaleza.

Durante la Guerra de Crimea (1853, 1856), la fortaleza no participó en acciones de combate, pero su ubicación en el camino a Arkhangelsk frustró los planes de ataque de la escuadra anglo-francesa. El enemigo no se atrevió a entrar en la desembocadura del Dvina Septentrional, temiendo el fuego de los cañones de la fortaleza. La fortaleza fue desmantelada en 1863 y pasó a la administración de la diócesis de Arkhangelsk.

En la época soviética, en el territorio de la fortaleza primero se estableció una colonia-comuna infantil, luego una institución penitenciaria que existió hasta 2006. En diciembre de 2007, la Fortaleza de Novodvinsk fue transferida al Museo Regional de Arkhangelsk y recibió el estatus de monumento de importancia federal. Desde 2008, se llevan a cabo trabajos de prevención de emergencias en el territorio de la fortaleza. Actualmente, las partes sur y oeste de la ciudadela, con dos puertas principales, se encuentran en un estado relativamente bueno; las demás estructuras fortificadas se han conservado solo parcialmente.