9 мая 1856 года новый император Александр II посетил крепость и осмотрел неоконченную православную церковь и вновь отстроенный госпиталь 3-го класса. Всего на строительство крепости было затрачено 4 599 839 рублей[19]. Рассказывают, что во время одного из своих посещений крепости Николай I поднял кирпич и спросил у одного из сопровождавших его:

Николай сознавал, что в стоимости строительства крепости присутствует значительная коррупционная составляющая, но ничего не мог поделать с коррупцией.

Крепость состояла из цитадели и трёх защищавших её укреплений общей площадью 4 кв. км и периметром главной крепостной линии в 6,4 км. Цитадель представляла собой замкнутую двухэтажную казарму из красного кирпича 16 м высотой 1,8 км в окружности и имела стены двухметровой толщины. Она была возведена по проекту русского архитектора Александра Егоровича Штауберта (1780–1843). Имелись 500 казематов, рассчитанных на 12 тысяч человек. Ниши стен с бойницами и амбразурами были приспособлены для стрельбы из ружей и пушек. На внешней стене казармы полукругом выдавались вперед четыре полубашни, из которых должен был вестись фланговый обстрел атакующего противника. Во внутренний двор укрепления можно было попасть только через четверо ворот, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Цитадель находилась на острове, образованном Бугом и двумя рукавами Мухавца. С этим островом подъёмными мостами были связаны три искусственных острова, образованные Мухавцом и рвами. На них размещались укрепления: Кобринское (ранее Северное, самое большое), с 4 куртинами и вынесенными 3 равелинами и капонирами; Тереспольское, или Западное, с 4 вынесенными люнетами; Волынское, или Южное, с 2 куртинами и 2 вынесенными равелинами. В крепости было 8 ворот. Она имела 10-метровый земляной вал с казематами[21].

С прилегающей к крепости территорией предмостные укрепления соединялись мостами с каменными Александровскими (ныне Северными), Михайловскими (Восточными) и Николаевскими (Южными) воротами, встроенными в земляные валы, и Варшавским проездом. Сводчатые проходы ворот закрывались массивными створками, в стенах с обеих сторон были устроены узкие вертикальные бойницы[22].

В связи с созданием Брестской крепости, в городе Бресте, заново отстроенном за пределами крепостных стен, каменные здания разрешалось возводить только в порядке исключения, причем их высота не должна была превышать два этажа, чтобы они не закрывали обзор и сектора стрельбы гарнизону крепости и не служили ориентирами для противника. Позднее по тем же причинам в городе было запрещено возводить высокие фабричные трубы[23].

В период с начала 1840-х до начала 1860-х годов количество военнослужащих в Бресте и крепости составляло 5–6 тысяч человек, и постоянного гарнизона в крепости не было. На вооружении крепостной артиллерии имелись гладкоствольные 24– и 36-фунтовые пушки, полупудовые единороги и мортиры, стрелявшие ядрами, чугунными бомбами и картечью на дальность до 3500 метров. В крепости также размещались арестантские роты для провинившихся солдат. Их содержали в Бригитской казарме и использовали на строительных и хозяйственных работах[24].

В 1862 году Брест-Литовская крепость вошла в состав Варшавского военного округа. После подавления Польского восстания 1863–1864 годов в крепости появился крепостной пехотный полк, для размещения которого использовали здание арсенала. В 1867 году гарнизон крепости состоял из одного генерала, 20 штаб-офицеров, 79 обер-офицеров, 32 военных чиновников, 2 священников и 3588 нижних чинов. Здесь также находились 672 арестанта. Комендантом крепости с 1861 года был генерал от артиллерии Иван Евстафьевич Штаден (1803–1871)[25].

В 1862 году директор Главного инженерного управления генерал-адъютант, инженер-генерал-лейтенант Эдуард Иванович Тотлебен (1818–1884), закончивший службу графом и инженер-генералом, представил военному министру генерал-лейтенанту и генерал-адъютанту Дмитрию Алексеевичу Милютину (1816–1912), будущему графу и будущему последнему российскому генерал-фельдмаршалу, записку, в которой предлагал модернизировать крепости в европейской части России, обеспечив их дополнительными мерами защиты от артиллерийского огня, особенно навесного. Это стало актуальным в связи с появлением нарезных орудий, что повысило точность и скорострельность артиллерии. Тотлебен предупреждал, что высокие каменные казармы и многоярусные башни являются хорошими целями для осадной артиллерии, против которой долго не продержатся. Эдуард Иванович рекомендовал прикрыть каменные постройки гласисами – пологими земляными насыпями, разобрать верхние ярусы казематов и укрыть их толщей земли. Для реализации этой программы требовалось в течение 16 лет выделять по 3 миллиона рублей ежегодно. Но таких денег в казне не было, и поэтому рассматривавший предложение Тотлебена особый комитет военного министерства постановил новых работ в крепостях не предпринимать, а лишь исправить существующие сооружения и привести в боевую готовность. В результате все российские крепости перед Первой мировой войной оказались морально устаревшими, не способными выдержать длительный обстрел осадных нарезных орудий[26].

С весны 1864 года началась реконструкция Брест-Литовской крепости. Главный земляной вал был укреплен дополнительными казематами, насыпаны внутренние траверсы (поперечные валы), построены два пороховых погреба на 5000 пудов каждый и укреплены булыжниками берега Буга и Мухавца. В 1864–1868 годах по проекту Тотлебена в горже (тыльной части укрепления) I и III бастионов Кобринского укрепления возвели Западный и Восточный казематные редюиты (внутренние укрепления). Каждый редюит состоял из контрэскарповой галереи подковообразной формы, рва и вала, в котором размещались двухъярусная казарма, цейхгауз, два пороховых погреба, пекарня, кухня и столовая для нижних чинов. Ров перекрывался капонирами «для ружейной обороны». Гарнизон укрепления состоял из батальона пехоты. Восточный редюит был построен на месте снесенной Тринитарской казармы. Позади редюитов вдоль правого рукава Мухавца были возведены две отдельные батареи, прикрывавшие северную часть оборонительной казармы Цитадели[27].

В конце 1860-х годов севернее крепости проложили железную дорогу Москва – Варшава, из-за насыпи которой образовалась мертвая зона перед Кобринским укреплением. Чтобы ее контролировать, в 1869 году начали строить форт «Граф Берг» и возводить земляную батарею. Это был первый форт Брест-Литовской крепости, вынесенный на 850 м от главной оборонительной линии. Пятиугольный форт состоял из контрэскарповой галереи на напольном и боковых фасах, рва и главного вала, в котором размещались два фланговых капонира, двухэтажная казематированная казарма, соединявшаяся с капонирами аппарелями. В горжевой части находились полукапонир, два пороховых погреба и кухня. Строительство форта «Граф Берг» было в основном завершено в 1872 году. Мощеная дорога связывала его с Кобринским укреплением через Александровские ворота, переименованные в Белостокские. Крепость тогда имела 757 орудий, около половины из которых составляли нарезные 24-фунтовые и 8-дюймовые пушки и мортиры образца 1867 года с дальностью стрельбы до 7000 м. В 1876 году в южной части Кобринского укрепления была построена сводчатая артиллерийская лаборатория с двумя мощными казематами, а на Волынском – «машинное здание» для снабжения водой госпиталя. Архитектурным центром Цитадели стала возведенная в 1878 году гарнизонная Свято-Николаевская церковь, строительство которого обошлось в 300 тыс. рублей золотом[28].