La forteresse a été fondée en 1701 par ordre du tsar Pierre Ier pour protéger le chenal d'Arkhangelsk en prévision d'une attaque suédoise pendant la guerre du Nord de 1700 à 1721. Le projet a été élaboré par l'ingénieur allemand Georg-Ernest Reze. Elle était considérée comme l'une des meilleures forteresses de Russie.

Les ouvrages de fortification comprenaient une citadelle carrée à quatre bastions et des fortifications extérieures : fossé, douve, ravelin, chemin couvert, palissade et glacis. À l'intérieur de la citadelle, deux bâtiments en briques ont été construits pour le commandant et les officiers supérieurs, quatre magasins à poudre, des casernes, des dépôts de munitions militaires et une tour avec un mât. Sur la place centrale se trouvait une église en bois dédiée à saint Pierre et saint Paul.

Les principaux travaux de construction ont été achevés en 1705, et la formation finale du complexe a eu lieu en 1714 avec l'achèvement du ravelin du côté nord de la forteresse.

Pendant la guerre de Crimée (1853, 1856), la forteresse n'a pas participé aux combats, mais sa position sur le chemin d'Arkhangelsk a perturbé les plans d'attaque de l'escadre anglo-française. L'ennemi n'a pas osé entrer dans l'embouchure de la Dvina septentrionale, craignant le feu des canons de la forteresse. La forteresse a été dissoute en 1863 et est passée sous la juridiction de l'Éparchie d'Arkhangelsk.

À l'époque soviétique, le territoire de la forteresse a d'abord abrité une colonie communiste pour enfants, puis un établissement correctionnel qui a existé jusqu'en 2006. En décembre 2007, la forteresse de Novodvinsk a été transférée au musée régional d'Arkhangelsk et a reçu le statut de monument d'importance fédérale. Depuis 2008, des travaux de prévention des accidents sont en cours sur le site de la forteresse. Actuellement, les parties sud et ouest de la citadelle, avec deux portes principales, sont relativement en bon état ; les autres ouvrages de fortification ne se sont conservés que partiellement.