Весной 1842 года работы были завершены, и над Брестской крепостью взвился военный флаг. На четырех островках, образованных реками Западный Буг и Мухавец и искусственными обводными каналами, раскинулись Кобринское, Волынское и Тереспольское предмостные укрепления и центральная часть крепости — Цитадель. Под огромными земляными валами, ограждавшими предмостные сооружения, находились каменные казематы и складские помещения.
Цитадель представляет собой сомкнутую массивную двухэтажную казарму, сложенную из темно-красного кирпича. Длина здания по внешней окружности центрального острова составляла 1,8 километра; в его стенах, толщина которых равнялась почти 2 метрам, были проделаны бойницы и амбразуры для ведения огня из орудий и стрелкового оружия. Казармы Цитадели вмещали 12 000 солдат.
С появлением в армиях европейских стран новых артиллерийских систем возникла необходимость провести дополнительные оборонительные работы по укреплению Брестской крепости. В 1860-х годах по предложению генерала Э.И. Тотлебена — известного русского инженера-фортификатора — в крепости укрепляется главный земляной вал, строятся редуты на Кобринском укреплении, насыпаются траверсы, строятся новые пороховые погреба. Укрепление Брестской крепости производилось и позднее: перед Первой мировой войной, например, решено было в 6–7 километрах от Цитадели соорудить вторую линию из 9 мощных фортов. История строительства крепости связана и с именем талантливого русского военного инженера Д.М. Карбышева, служившего в чине капитана в Брестской крепости с августа 1911 года по ноябрь 1914 года. Под его руководством проводились работы по укреплению 7-го форта на левом берегу Западного Буга, возведению форта «И» и других сооружений.
В годы Первой мировой войны в Брестской крепости формировались резервные части для фронта и размещались склады. Когда в 1915 году немецкие войска в ходе наступления на Восточном фронте приблизились Бресту, русское командование эвакуировало гарнизон крепости; была вывезена также большая часть складов, а некоторые укрепления взорваны. До конца войны в крепости хозяйничали оккупанты, а в 1918 году в здании бывшего Белого дворца был подписан Брестский мир.
В 1921 году Польша при поддержке стран Антанты добилась отторжения западных областей Украины и Белоруссии, и до сентября 1939 года в Брестской крепости дислоцировались части польской армии. После присоединения Западной Белоруссии к советскому государству в Брестской крепости, уже утратившей к тому времени свое былое военное значение, разместилось несколько частей Красной Армии. Весной 1941 года здесь оставались 6-я Орловская Краснознаменная и 42-я стрелковая дивизии. В начале лета полки этих соединений, а также артиллерийские и танковые подразделения выехали в лагеря. В крепости оставались только отдельные разрозненные подразделения и хозяйственные службы.