L’aprirsi del XVI secolo vide Livorno ormai saldamente sotto il dominio fiorentino e dei suoi governanti, i Medici, che nel 1530 salirono definitivamente al potere; proprio questi ultimi maturarono il progetto di rafforzare le fortificazioni al margine del porto labronico con la realizzazione di un forte possente, capace di sostenere attacchi da terra e da mare.
Antonio da Sangallo il Vecchio elaborò l’efficace soluzione di inglobare il nucleo medievale all’interno di una struttura a cortine bastionate e con tozze pareti “a scarpata” tipiche dell’architettura militare di epoca rinascimentale. La Fortezza Vecchia, tuttavia, rappresenta una difformità nel panorama delle fortificazioni toscane progettate dal Antonio da Sangallo e dal fratello Giuliano: la sua pianta è infatti irregolare, a losanga con solo tre bastioni asimmetrici ai vertici e con il mantenimento del mastio duecentesco, funzionale per gli avvistamenti e le esigenze del tiro incrociato tipico della guerra con armi da fuoco, ma assolutamente incongruente con la necessità di non offrire al nemico elementi troppo alti e vulnerabili.