Până la moartea episcopului György au fost ridicate atât incinta bastionară, mai puţin bastionul nord-vestic, cât şi palatul alipit zidului vestic, cel puţin până la nivelul parterului. Prima mențiune a sălii mari de la etajul palatului datează din 1553. În perioada anilor 1551–1556, când Transilvania se afla sub stăpânirea Habsburgilor, regele Ferdinand I (1526-1564) a donat cetatea de la Gherla guvernatorilor şi voievozilor care s-au succedat la conducerea Transilvaniei, cu condiţia ca aceştia să asigure garnizoana cetăţii şi să continue lucrările de fortificare. Astfel domeniul Gherlei ,cu cea mai modernă și cea mai sigură fortificație a vremii respective, a fost stăpânit mai întâi de generalul Castaldo, apoi de voievodul Andrei Báthory,  Ştefan Dobó şi Francisc Kendy. Cea mai mare dovadă a siguranței fortificației este faptul că cardinalul Gheorghe Martinuzzi îşi păstra tezaurul fabulos tocmai în incinta acesteia, tezaur ce după moartea episcopului a reprezentat obiectul mai multor dispute.

În anul 1556, a survenit primul asediu, a cărui apărător, după rechemarea în Transilvania a reginei Isabella și Ioan Sigismund, a fost Ştefan Dobó.  După cinci luni de rezistență, Dobó a predat cetatea în noiembrie 1556, doar la dispoziţia regelui Ferdinand. Se pare că, încă înainte de 1565, fortificaţia a fost extinsă spre vest: s-a construit noul zid vestic flancat de două semi-bastioane şi de poarta nouă, cât și bastionul nord-vestic de dincolo de şanţ respectiv zwingerul (spaţiu dintre două ziduri, delimitat de incintă respectiv de un zid de apărare mai scund aflat în faţa lui), care înconjura incinta pe trei laturi.

Lucrările de construcție s-au realizat pe timpul domniei lui Ioan Sigismund (1556-1571) și apoi al lui Báthory. Cristofor Báthory († 1581) a construit probabil turnul scării aflat pe faţada palatului Martinuzzi. Astăzi acest turn nu mai este vizibil.  La 13 septembrie 1594,  incinta cetăţii, Sigismund Báthory (1588–1602, cu întreruperi) i-a executaţ pe Baltazar Báthory, căpitan suprem al oştirii principatului, şi pe cancelarul Francisc Kovacsóczy, acuzaţi că au trecut de partea turcilor. Pe timpul domniei lui Gabriel Bethlen, lucrările de construcție s-au continuat. S-a reparat fortificaţia de la Gherla, s-au împodobit încăperile palatului, respectiv, sub coordonarea arhitectului italian Giovanni Landi, s-a reconstruit Bastionul Ciunt care apăra poarta exterioară dinspre vest. Două table comemorative aminteau de aceste lucrări, însă acestea au dispărut între timp. Construcții semnificative s-au realizat în timpul domniei principelui Gheorghe Rákóczi al II-lea (1648–1659): pe baza tablei comemorative care poartă inscripția anului 1653, pe la mijlocul secolului s-a construit clădirea palatului, cu etaj, care se anexa la zidul vestic al cetății exterioare. Lucrările s-au executat sub îndrumarea arhitectului italian Agostino Serena. Spre sfârşitul secolului al XVII-lea rolul militar al fortificaţiei a scăzut, iar în vederea plății taxei turcești, principele Mihail Apafi I (1661–1690) a înstrăinat mare parte a domeniilor.

În 1687, în contextul tratatului de la Blaj, controlul cetăţii a fost preluat de forţele imperiale. Până când cetatea nu s-a transformat într-un penitenciar, aceasta a rămas în posesia Gherlei aproape un secol, exceptând un interval scurt, din perioada domniei principelui Gheorghe Rákóczi al II-lea (1704–1711). La începutul secolului al XVIII-lea incinta fortificației din Gherla fusese depăşită de mult de evoluţia tehnicii militare, motiv pentru care, după înfrângerea de la Jibou, nici Francisc Rákóczi al II-lea nu a cutezat să întâmpine un eventual atac inamic în această cetate. Autorităţile austriece s-au străduit să modernizeze cetatea prin înfiinţarea unor linii avansate de apărare. Prin urmare, construcţiile din secolul al XVIII-lea vizau în primul rând realizarea, întreţinerea şi modernizarea periodică a acestor lucrări. În 1786, la dispoziţia împăratului Iosif al II-lea (1780–1790) s-a suspendat rolul militar al cetăţii, iar în incintă s-a înfiinţat penitenciarul regional. La început, funcțiile noii instituţii erau îndeplinite de bastioanele cetății vechi, de cele două palate, respectiv de clădirile înșiruite pe marginile curții care aparținea cetății. Ansamblul renascentist şi-a dobândit aspectul actual doar în a doua jumătate a secolului al XIX-lea: s-a demolat bastionul nord-vestic de dincolo de şanţ; poarta exterioară a fost înglobată în noua clădire a direcţiunii; s-au demolat scările și pridvoarle cu scări mai mici de pe faţada palatului Martinuzzi, fiind amenajată scara interioară, din axul median al clădirii; totodată s-au demolat bastioanele estice ale incintei precum şi clădirile mai mici din curtea interioară a cetăţii. Pe locul celor din urmă, respectiv prin refolosirea parţială a acestora, între 1857 şi 1860, s-a construit noua clădire a penitenciarului cu trei etaje. În conformitate cu aspirațiile de planificare urbană, șanţul de apă a fost secat şi transformat în parc. În aceeaşi perioadă, înainte de 1898, s-au construit clădirile mai mici aflate în afara şanţului de odinioară.

Conform releveelor ansamblului, realizate în secolele XVII–XIX, fortificația prezenta un plan patrulater aproape regulat. Zidurile drepte ale cetății erau apărate de câte un bastion, dispuse pe trei dintre colţuri, şi  un semibastion în colțul nord-vestic, precum şi un alt bastion, ridicat dincolo de şanţul de apărare al cetăţii. Dintre acestea s-a mai păstrat doar parţial semibastionul. Protejat de fortificația bastionară, în curtea cetăţii s-a ridicat palatul renascentist, supraetajat, care s-a păstrat până în zilele noastre. Pe latura vestică a cetăţii, un zid paralel cu curtina delimitează şi astăzi curtea exterioară de curtea interioară, mai amplă. În cea din urmă, la zidul menționat se alipește palatul de formă dreptunghiulară, a lui  Martinuzzi. Prin dublarea ulterioară a zidului vestic s-a format cetatea exterioară, mai mică. Partea sud-vestică a acesteia a fost extinsă cu un semibaston și un turn de poartă. Acestea, mai puţin turnul porţii, au supravieţuit până în zilele noastre. Palatul Rákóczi, denumit după principele Gheorghe Rákóczi al II-lea, aflat în curtea exterioară a cetăţii se sprijină pe curtina vestică. Acest palat a fost finalizat în anul 1653 și a fost construit în patru axe. Ulterior, s-a construit un zwinger, care înconjura cetatea pe trei laturi, acesta însă nu s-a păstrat. Ansamblul era înconjurat de un șanț de apă, șanțul secat fiind vizibil și azi.

Accesul în interiorul ansamblului se face pe latura sudică. Poarta modernă a penitenciarului este flancată de două reliefuri renascentiste din jurul anului 1540, aflate aici în poziţie secundară: reliefurile  în culori stridente ( pictate la ora actuală) reprezentând câte un leu rampant care ţine scutul regelui Ioan Zápolya, lupul rampant. Dincolo de poarta penitenciarului, traversând podul ridicat peste şanţul de apărare de odinioară, se poate ajunge la poarta exterioară a cetăţii. La stânga porţii este înzidită o placă inscripţionată amplasată în memoria căpitanilor cetăţii din vremea regilor maghiari Ferdinand al V-lea (1835–1848) şi Francisc Iosif I (1848–1916). Deasupra acesteia se află o tablă comemorativă, realizată în anul 1540, la comanda episcopului care a solicitat construcția. În cursul secolelor XVIII–XIX, palatul cu trei niveluri (parter, mezanin, etaj) a fost extins spre vest. Pe faţada continuă, vestică, a celor două clădiri alipite se disting clar extinderile din secolul al XIX.-lea și cele patru ferestre renascentiste aparţinând palatului din secolul al XVII-lea, evidenţiate prin frontoane triunghiulare.

Vizavi de palatul Rákóczi se află palatul Martinuzzi. Clădirea cu trei niveluri (pivniţă, parter, etaj) cu forma în plan dreptunghiulară este flancată la capătul sudic de poarta interioară a cetăţii, iar la capătul nordic de rezalitul poligonal al absidei capelei. Vizitatorul este întâmpinat de o poartă frumoasă, sculptată în stil renascentist.

 Deschiderea carosabilă încheiată în arc semicircular este flancată de pilaştrii canelaţi, ridicaţi pe socluri înalte. În friza cornişei s-a inscripționat deviza latină a episcopului: DOMINVS ADIVTOR ET PROTECTOR MEVS. QVEM TIMEBO (Domnul e sprijinul şi protectorul meu, de care mă tem). Deasupra deschiderii porţii pietonale este amplasată o placă inscripţionată, evidenţiată prin blazonul lui Martinuzzi – imaginea unui corb, însemnul ordinului paulin din Ungaria, şi cea a unui licorn cabrat, aparţinând familiei Utjesenich. Scutul este încoronat de un epimedium. Inscripţia anului 1542 de sub blazon subliniază fidelitatea episcopului faţă de regele Ioan I, cât şi sacrificiile materiale luate la construcţia cetăţii. Faţada vestică a palatului este ritmată de ferestre simple, din secolul al XIX.-lea (8 la parter, 10 la etaj) care luminează coridorul construit ulterior, amenajat în grosimea zidului cetăţii Martinuzzi de odinioară. Deasupra porţii, la etaj sunt alte două ferestre asemănătoare, această zonă a faţadei fiind încununată de un atic romantic. Faţada estică a palatului cu 9 axe este  prevăzută de ferestre cu ancadramente renascentiste. Mai putem remarca urma traverselor de piatră la aproape toate ancadramentele. În axul central al parterului se află intrarea principală a palatului, care este precedată de un pridvor modern. În vremea principatului, la parter erau depozite şi locuinţele oficialilor mai importanţi ai domeniului, iar la etaj erau amenajate două săli reprezentative şi locuinţa episcopală/princiară. În sala mare de la parter, fosta magazie de alimente, se mai păstrează și azi bolţile originale în cruce fără ogive, care se sprijină  pe un stâlp masiv central şi pe zidurile laterale ale încăperii. Reconstituirea compartimentării originale a palatului este îngreunată de modificările întreprinse în secolul al XIX-lea, în special prin amenajarea scării interioare în axul central al clădirii.

Colțurile capelei poligonale sunt decorate cu trei geamuri gemene, înalte, cu chenare în stil renascentist. Interiorul sanctuarului se împarte în trei segmente, care sunt acoperite cu boltă susținută de semi-stâlpi. Spațiul de sub galeria de vest era acoperită cu bolţi în cruce pe ogive în navă. În 1822, pictorul din Verona, deținut în penitenciat, Pietro Rivetti,  a decorat capela cu fresce. Aceste fresce s-au distrus.  După anul 1989, capela a fost împodobită cu picturi de factură neobizantină. Vizavi de palatul Martinuzzi se află clădirea penitenciarului cu trei etaje, construit în secolul al XIX-lea, cu formă de ”U” în plan. Faţada principală a acestuia este ritmată de ferestre simple, fără ancadramente, cu închiderea în formă de mâner de coş. Zona centrală a faţadei este evidenţiată printr-un atic treptat, care este ornat de un orologiu şi deasupra acestuia, de inscripţia anului 1859.

Conform cercetărilor noastre, cetatea Gherlei constituie primul exemplu în Transilvania al aplicării principiilor arhitecturii militare renascentiste italieneşti. Domenico da Bologna, presupusul proiectant al fortificaţiei, s-a inspirat probabil din cetăţile fortificate cu bastioane, construite, sau proiectate în peninsula italică, în primele trei decenii ale secolului al XVI-lea. Astăzi ansamblul este utilizat ca și penitenciar, vizitarea acestuia fiind limitat.