Le prime notizie dell’arsenale pisano risalgono agli inizi del Duecento quando, fuori dal lato occidentale delle mura urbane, si realizzò la darsena della città, le cui strutture furono utilizzate sia per la costruzione di nuove imbarcazioni, che per la riparazione di galee in servizio. Intorno alla metà del secolo si fortificò l’area con la costruzione degli altri lati del muro di cinta, in addossamento alla cerchia urbana.
In quegli anni il canale di raccordo tra il fiume e la darsena doveva trovarsi in prossimità dell’angolo sud-ovest del recinto fortificato, entrando in modo “obliquo” in un invaso interno, circondato da portici ritmati con archi a tutto sesto, la cui unica traccia rimasta sono le sette arcate visibili nel tratto della muratura sud, inglobate nella cinta trecentesca. Verso la fine del secolo vi furono edificate in adiacenza anche alcune torri fortificate.
Nel XIV secolo fuorno effettuate diverse modifiche, tra cui il rialzamento della cinta, la demolizione dei portici duecenteschi e l’arretramento del muro di fortificazione a sud, lo spostamento del canale in posizione centrale e la costruzione di nuovi portici per galee con archi a sesto acuto. Queste ultime sono le strutture rimaste oggi visibili per cinque corsie sul lato occidentale dell’area.
Sullo scorcio del Trecento parte degli arsenali furono riconvertiti a magazzini e fabbriche di armi. Dopo la conquista fiorentina l'area fu interdetta ai Pisani, assumendo la funzione di cittadella fortificata della dominante. Dalla metà del Cinquecento cessò di essere una fortezza militare e vi fu istituito l’Orto Botanico, in seguito trasferito in altra parte della città. Nel XVIII secolo vi trovarono sede le carceri e fu edificata una caserma di cavalleria, duramente colpita dai bombardamenti del 1943, insieme a gran parte degli arsenali medievali.