Το αρχικό κάστρο ιδρύθηκε γύρω στα 1300 από τον ηγεμόνα Ιωάννη Α΄ Ορσίνι (Giovanni Orsini), προκειμένου να ενισχύσει την άμυνα του νησιού. Σύμφωνα με πηγές του 17ου αιώνα, ήταν μικρό και ορθογώνιας κάτοψης με πύργους στις γωνίες, ενώ αργότερα λειτούργησε ως ακρόπολη του κάστρου. Διατηρήθηκε μέχρι τα τέλη του 17ου αιώνα, ενώ στη συνέχεια κατεδαφίστηκε σταδιακά, χωρίς να σώζονται σήμερα ορατά κατάλοιπά του.
Το 1331, το νησί και το κάστρο καταλαμβάνονται από τον κληρονόμο του Δουκάτου των Αθηνών Γκωτιέ ΣΤ΄ της Βρυέννης, στη συνέχεια περνούν για μικρό διάστημα στους Ανδεγαυούς βασιλείς της Νεαπόλεως και τελικά παραχωρoύνται στον Βενετό Γρατιανό Τζώρτη (Grazziano Zorzi). Το 1362, η Λευκάδα εντάσσεται στην κομητεία Κεφαλληνίας, Ζακύνθου και Ιθάκης, αρχικά υπό τη διοίκηση του Λεονάρδου Α΄ Τόκκου (Leonardo I Tocco) και έπειτα του γιου του, Κάρολου Α΄ Τόκκου (Carlo I Tocco). Την περίοδο αυτή, ο πληθυσμός ενισχύεται με την εγκατάσταση μισθοφόρων, Λατίνων ευγενών, εμπόρων και άλλων επαγγελματιών και σε σύντομο χρονικό διάστημα αναπτύσσεται μια ακμάζουσα κοινωνία. Σύμφωνα με το Χρονικό των Τόκκων, πραγματοποιήθηκαν σημαντικές επεμβάσεις βελτίωσης και ενίσχυσης του κάστρου, που πλέον περιλαμβάνει έναν οικισμό γύρω από το αρχικό μικρό οχυρό, ο οποίος φαίνεται πως περιτειχίστηκε αυτήν την περίοδο. Έτσι, το 1420, σε χάρτη του περιηγητή Cristoforo Buondelmonti περιγράφεται ως οχυρωμένος οικισμός («Oppidum Sancta Maura») γύρω από μία ακρόπολη.
Κατά την περίοδο της Α΄ οθωμανικής κυριαρχίας του κάστρου (1479-1502) φαίνεται πως πραγματοποιήθηκαν ελάχιστες επεμβάσεις.
Στο σύντομο χρονικό διάστημα της βενετικής κυριαρχίας που ακολούθησε (1502-1503), ο ναύαρχος Benedetto Pesaro υλοποιεί εκτεταμένες εργασίες εκσυγχρονισμού των οχυρώσεων για την προσαρμογή τους στα νέα δεδομένα της χρήσης πυροβόλων όπλων. Στις κυριότερες περιλαμβάνονται η κατασκευή ενός νέου προμαχώνα με στοά στα νοτιοανατολικά και ενός άλλου στα βόρεια.

Στο διάστημα της Β΄ οθωμανικής περιόδου (1503-1684) πραγματοποιούνται εκτεταμένες επεμβάσεις στο κάστρο, προκειμένου να προσαρμοστεί στις εξελίξεις της πολεμικής τεχνολογίας και να μπορεί να αντιμετωπίσει τις συνεχείς βενετικές επιθέσεις (1572, 1604, 1658, 1667, 1684). Το παλαιό μικρό φρούριο των Φράγκων μετατρέπεται σε καλά οχυρωμένη ακρόπολη, ενώ ο οχυρωμένος οικισμός έξω από αυτήν εξοπλίζεται με νέα επικλινή τείχη (σκάρπα) και οι προμαχώνες διευρύνονται, για να αποκτήσει το κάστρο προς τα τέλη του 16ου αιώνα τη βασική μορφή που διατηρεί μέχρι σήμερα, με την ακανόνιστη επταγωνική κάτοψη και τους ισχυρούς προμαχώνες. Ιδρύονται πολλά κτήρια, που περιλαμβάνουν τζαμιά, ιεροδιδασκαλείο, χαμάμ, χάνι, αποθήκες και συστήματα υδροδότησης. Κατασκευάζεται επίσης ένα μεγάλο υδραγωγείο που εφοδίαζε με νερό τον οικισμό διασχίζοντας τη λιμνοθάλασσα επάνω σε 360 τόξα, παράλληλα σχεδόν με τον επιθαλάσσιο δρόμο που ενώνει σήμερα την πόλη της Λευκάδας με το κάστρο. Με τα έργα αυτά, η Αγία Μαύρα καθίσταται ένα ιδιαίτερα ισχυρό οθωμανικό φρούριο, το οποίο κατά τη βενετική επίθεση το 1572 αποδεικνύεται απόρθητο.
Την περίοδο αυτή, κατά τον 16ο και 17ο αιώνα, το κάστρο αποτελεί επίσης ξακουστό άντρο πειρατών, όπως αναφέρει και ο Oθωμανός περιηγητής Evliya Çelebi, που το επισκέπτεται το 1688. Ο ίδιος μας πληροφορεί ότι η Αγία Μαύρα έχει εξελιχθεί σε μεγάλο οικισμό. Αναφέρει το παλαιό φρούριο που χρησιμοποιείται ως ακρόπολη, καθώς και 200 σπίτια διατεταγμένα κατά μήκος του κεντρικού δρόμου, στα οποία κατοικούν Οθωμανοί αξιωματούχοι και η φρουρά. Έξω από τα τείχη έχουν δημιουργηθεί δύο συνοικισμοί, στους οποίους κατοικεί ο χριστιανικός πληθυσμός: η Χώρα ή Μπούργο στα δυτικά, στην περιοχή της σημερινής διώρυγας, και η Άλλη Μεριά στα ανατολικά, που ξεκινούσε από τα ανατολικά τείχη καταλαμβάνοντας έκταση μήκους 200 μ.
Το 1684, με αφορμή τη συνεχή δραστηριότητα των πειρατών της Αγίας Μαύρας, το κάστρο πολιορκείται και καταλαμβάνεται από τη βενετική εκστρατευτική αρμάδα (στόλο) υπό τον Francesco Morosini. Οι Βενετοί προβαίνουν σε δραστικές μεταβολές και επιδιορθώσεις των τειχών. Εντός του κάστρου, τα τζαμιά μετατρέπονται σε χριστιανικούς ναούς, οι κατοικίες εντός και εκτός των τειχών κατεδαφίζονται και κατασκευάζονται κτήρια για την εγκατάσταση των ενετικών διοικητικών και θρησκευτικών αρχών και του στρατού, ενώ ο οικισμός μεταφέρεται στο προάστιο της Αμαξικής, στη θέση της σημερινής πόλης.
Το 1715, το κάστρο καταλαμβάνεται προσωρινά από τους Οθωμανούς, για να επανέλθει όμως τον επόμενο χρόνο στην κατοχή των Ενετών. Το 1718 αναθέτουν στον Γερμανό στρατηγό Σούλενμπουργκ (Schulenburg) την ενίσχυση των τειχών και τη βελτίωση της άμυνας του κάστρου, κυρίως στην ανατολική και δυτική πλευρά που ήταν οι πιο ευάλωτες. Πραγματοποιούνται διαπλατύνσεις των τειχών, διανοίγονται θολοσκεπείς στοές με πυροβολεία σε καίρια σημεία, αναδιαμορφώνονται οι προμαχώνες, ενώ τριγωνικά προτειχίσματα και ένυδρες τάφροι περικλείουν το κάστρο αποτελώντας πλέον την πρώτη γραμμή άμυνας. Το κάστρο αποκτά την περίοδο αυτή την πιο εκτεταμένη μορφή του, ενώ σημαντική εξέλιξη είναι η σταδιακή κατεδάφιση της ακρόπολης, του αρχικού πυρήνα του κάστρου.
Από το 1797 και εξής, η Λευκάδα βρίσκεται κάτω από σύντομη γαλλική και στη συνέχεια ρωσοτουρκική διοίκηση, ενώ το 1800 ιδρύεται η Επτάνησος Πολιτεία, που το 1807 περνά στην κυριότητα των Αυτοκρατορικών Γάλλων. Οι τελευταίοι προχωρούν στην τελειοποίηση της οχύρωσης του κάστρου και την ενίσχυση του εξοπλισμού του με πυροβολητές και άλλο πολεμικό υλικό.
Κατά την περίοδο της αγγλοκρατίας, από το 1810 μέχρι την ένωση των Επτανήσων με το Ελληνικό κράτος (1864), το φρούριο λειτουργεί ως στρατιωτικό κέντρο του νησιού. Υλοποιούνται εκτεταμένες εργασίες που αφορούν κυρίως στην κατασκευή έργων υποδομής εντός και εκτός του κάστρου, ανακαινίζονται παλαιά κτήρια, κατασκευάζονται στρατώνες, νοσοκομείο, φυλακές, καθώς και ο φάρος, ενώ οριοθετείται ο χώρος του νεκροταφείου. Επιπλέον αντικαθίστανται με λιθόκτιστες οι ξύλινες γέφυρες που ένωναν το κάστρο με την Ακαρνανία και τη Λευκάδα, ενώ ανοίγεται διώρυγα για τη διευκόλυνση της ναυσιπλοΐας και κατασκευάζεται επιθαλάσσιος δρόμος για τη σύνδεση του κάστρου με την πρωτεύουσα του νησιού.
Στις αρχές του 20ού αιώνα, ο χώρος του κάστρου χρησιμοποιείται διαδοχικά ως φυλακή, ως τόπος φιλοξενίας προσφύγων, αλλά και ως αθλητικός χώρος. Το 1938, παρότι είχε ήδη κηρυχθεί ως αρχαιολογικός χώρος, το οικοδομικό υλικό του κάστρου πωλείται υπέρ του Μετοχικού Ταμείου Στρατού, με αποτέλεσμα την πρόκληση σημαντικών ζημιών στα μνημεία του χώρου.
Σήμερα, μετά τις πρόσφατες εκτεταμένες εργασίες αποκατάστασης και ανάδειξης που πραγματοποιήθηκαν από την τοπική Εφορεία Αρχαιοτήτων, το κάστρο λειτουργεί ως επισκέψιμος αρχαιολογικός χώρος με υποδομές και διαμορφωμένες διαδρομές επισκεπτών, εκθεσιακούς χώρους και ενημερωτικό υλικό.