Dopo trent'anni di appartenenza alla Repubblica di Venezia, da cui era stata fondata e utilizzata per difendere il confine orientale dello stato, Gradisca si trovò così ad essere da un momento all'altro una fortezza austriaca, ovvero l'avamposto difensivo del principale nemico della Serenissima, costretto a invertire la direzione delle sue bombarde.
La fortezza fu posta a capo di un Capitanato di notevole estensione, cui erano subordinati altri Capitani. A governarla furono destinati sempre uomini di valore, sia come militari che come diplomatici ne è un esempio Nicolò II della Torre, uno dei primi capitani austriaci (ricoprì quest'incarico dal 1512 al 1557, anno in cui morì) che alternò l'amministrazione di Gradisca a lunghe trasferte militari, dovute agli importanti incarichi ricevuti dall’Imperatore. Fu largamente ricompensato per i suoi meriti di condottiero con la concessione di diverse proprietà nel Goriziano, ma seppe anche farsi amare dal popolo per la saggezza con cui governò. Il suo sepolcro, un'arca monumentale che reca sul coperchio la figura distesa del defunto vestito di corazza, si trova nel Duomo cittadino.
Nella prima metà del secolo XVI avvennero significative trasformazioni nella fortezza di Gradisca. Sotto il governo di Nicolò della Torre si provvide innanzitutto alle riparazioni dei danni prodotti dalla guerra austro-veneta e poi si realizzarono buona parte delle opere di fortificazione interna destinate a formare, sul collisello vicino al fiume, il complesso che sarà chiamato «Castello», dove comunque già esistevano una caserma e un arsenale veneti.
Nel suo complesso la struttura fortificata costruita da Venezia appariva del tutto inadeguata ai tempi e insufficiente a fronteggiare la potenza dell’artiglieria cinquecentesca: i torrioni rotondi e le lunghe cortine di collegamento rispecchiavano una concezione dell'architettura miIitare largamente superata, mentre ormai l'elemento-base delle costruzioni fortificate era il bastione angolare inventato da Francesco di Giorgio Martini e applicato un po’dovunque.
I lavori di adeguamento della fortezza gradiscana rientravano in un piano generale di ristrutturazione del sistema difensivo austriaco, che riguardava, tra l’altro anche Gorizia e Trieste.
Gerolamo Decio, l’architetto triestino che operava a Gradisca nel 1522 e ricopriva l'incarico di ispettore dei castelli della Carniola e del Litorale, aveva infatti il compito di riparare sia il forte di Gradisca che quelli di Gorizia e Trieste. In questi anni furono comunque eseguiti i restauri più urgenti della cinta esterna, nel timore di un repentino contrattacco veneziano mentre si avviarono solamente i piani del nuovo castello, la cui costruzione iniziò senz'altro più tardi.
La prima data certa riguardo a quest'opera è il 1546, ancora incisa sopra la porta del castello, collocata sul lato che guarda il fiume, dal quale si iniziarono i lavori. Furono aggiunti subito dopo il lato settentrionale, compiuto nel 1550, e il robusto bastione angolare «puntato» verso il centro urbano, per il quale occorsero ulteriori cinque anni.
Il lavoro s'interruppe con la morte di Nicolò II della Torre (1557), almeno per quanto riguarda il muro perimetrale del Castello. Il suo successore, lo spagnolo Giovanni de Hojos, che restò in carica dal 1557 al 1560, preferì infatti dare avvio alla costruzione del palazzo del Capitano, una struttura robusta protetta da quattro torri agli angoli destinata ad ospitare il comando militare. Il progetto forse fu affidato all’architetto Francesco da Pozzo, che verso il 1550 aveva lavorato a Trieste, quando il de Hojos era Capitano di quella città.
Il muro di cinta del castello fu terminato invece sotto il Capitano Giacomo d'Attems, che governò Gradisca per il ventennio successivo (1562-1582) occupandosi anche di altre opere pubbliche destinate alla vita civile.
Anche la pianta del castello riproponeva in piccolo una forma irregolarmente pentagonale, più compatta però, e con un vertice molto sviluppato e rafforzato dal bastione angolare di cui si è detto, secondo i canoni dell’architettura militare cinquecentesca, che aveva eliminato i torrioni rotondi utilizzando invece spigoli vivi e baluardi a triangolo. Collocato in posizione elevata, in corrispondenza del vertice rivolto al fiume, il castello costituiva una fortezza nella fortezza, pressochè inespugnabile.
All'interno, oltre al palazzo del Capitano, c'era un edificio minore addossato al lato meridionale chiamato «Arsenale». Davanti alla facciata del palazzo, al centro del cortile, fu collocato un pozzo con l'arma dei de Hojos (ora conservato nel Lapidario civico) che ricordava il fautore di quest’opera.
Non essendo state modificate le mura venete della cittadella, Gradisca alla fine del ‘500 presentava quella fisionomia composita rimasta immutata anche nei tempi successivi.
L’intervento austriaco, comunque, non servì solo a rafforzare e ad ammodernare le difese, ma anche a definire meglio le funzioni degli spazi interni alla fortezza, isolando la cittadella vera e propria dalla vita civile, che, anche per un mutato rapporto con il territorio, andava assumendo naturalmente una maggiore autonomia.
Un testo fondamentale per approfondire le vicende di Gradisca dopo la conquista austriaca è: