Trasferita la capitale a Torino nel 1563, Emanuele Filiberto, duca di Savoia, come sua prima opera incaricò l’architetto e ingegnere urbinate Francesco Paciotto (1521-1591) di progettare una struttura fortificata adeguata, una cittadella che non solo difendesse la città dai nemici, ma che servisse anche come strumento di controllo e, all’occorrenza, di offesa nei confronti della stessa città. Iniziata nel giugno 1564 e completata (secondo i conti di cantiere) entro il 1570, con il coinvolgimento di Domenico Poncello (?-1573), con grandissimo dispendio di risorse, l’imponente fortezza bastionata a forma pentagonale era destinata a imporsi come altissimo esempio di architettura militare, da subito modello di riferimento per la trattatistica italiana e europea contemporanea, imitato altrove e replicato dallo stesso Paciotto nella cittadella di Anversa e in altre sue piazzeforti piemontesi. In seguito fu descritta e rappresentata in pianta da Gabrio Busca (ca. 1540-1605), che ne apprezzò la chiara articolazione degli spazi e il sobrio prospetto, e, insieme al pozzo con la doppia rampa elicoidale, da una tavola del Theatrum Sabaudiae (1682).

La posizione strategica, a sud-ovest del quadrato romano, dal lato più scoperto e non guarnito da fiumi, risultò fondamentale anche dal punto di vista urbanistico, in grado di condizionare tutti i successivi progetti di ampliamento della capitale sabauda, costituendo un elemento qualificante della struttura urbana di Torino fino allo smantellamento delle fortificazioni e della stessa cittadella alle soglie dell’unificazione nazionale.

Sopravvissuta, insieme a quella di Alessandria, agli abbattimenti napoleonici, la cittadella di Torino cadde infine sotto i colpi del piano di ingrandimento del 1853, che, in ossequio ai criteri definiti da Carlo Promis (1808-1873), destinava l’area in cui essa sorgeva allo sviluppo di un nuovo quartiere. Il 9 maggio 1855 la cittadella fu declassata ed esclusa dall’elenco delle piazzeforti; quindi, il 22 maggio 1856, se ne autorizzava la demolizione. In un clima culturale che accordava scarso valore alle opere militari, l’unica struttura che si decise di salvare fu la porta grande verso la città, in seguito (1893) restaurata da Riccardo Brayda (1849-1906) con la rimozione di tutte quelle parti che, a suo parere, alteravano l’immagine del manufatto.

Dal 1893 ospita il Museo Nazionale dell’Arma di Artiglieria. Le collezioni sono state temporaneamente spostate per consentire i restauri e sono conservate nella Caserma C. Amione.  Attualmente si è concluso  il primo lotto di interventi che, dall'aprile 2010 alla fine del 2012, ha interessato  l'edificio.

Durante l'incursione aerea dell'8 dicembre 1942 che interessa la città, l'edificio viene danneggiato solo lievemente al tetto e agli infissi.