Крепость была основана в 1701 году по указу царя Петра I для защиты Архангельского фарватера в ожидании нападения шведов во время Северной войны 1700, 1721 годов. Проект разработал немецкий инженер Георг-Эрнест Резе. Она считалась одной из лучших крепостей в России.

Фортификационные сооружения включали квадратную четырёхбастионную цитадель и внешние укрепления: фоссебрею, ров, равелин, прикрытый путь, частокол и гласис. Внутри цитадели были построены два кирпичных здания для коменданта и старших офицеров, четыре пороховых погреба, казармы, склады военной амуниции и башня с флагштоком. На центральной площади находилась деревянная церковь св. Петра и Павла.

Основные строительные работы завершились в 1705 году, а окончательное формирование комплекса произошло в 1714 году с завершением равелина на северной стороне крепости.

Во время Крымской войны (1853, 1856) крепость не участвовала в боевых действиях, но её расположение на пути к Архангельску сорвало планы нападения англо-французской эскадры. Противник не решился войти в устье Северной Двины, опасаясь огня крепостных орудий. Крепость была упразднена в 1863 году и перешла в ведение Архангельской епархии.

В советское время на территории крепости сначала располагалась детская колония-коммуна, затем исправительно-трудовое учреждение, которое существовало до 2006 года. В декабре 2007 года Новодвинская крепость была передана Архангельскому областному краеведческому музею и получила статус памятника федерального значения. С 2008 года на территории крепости ведутся противоаварийные работы. В настоящее время в относительно хорошем состоянии находятся южная и западная части цитадели с двумя главными воротами; остальные фортификационные сооружения сохранились лишь частично.