Las primeras noticias del arsenal pisano se remontan a los inicios del siglo XIII, cuando en la parte exterior del lado occidental de los muros urbanos se realizó la dársena de la ciudad, cuyas estructuras se utilizaron tanto para la construcción de nuevas embarcaciones como para la reparación de galeras en servicio. Alrededor de mediados del mismo siglo se fortificó la zona con la construcción de los otros lados del muro de recinto, adosados al círculo urbano.
En aquellos años el canal de unión entre el río y la dársena debía encontrarse cerca de la esquina sur-occidental del recinto fortificado, entrando en modo “oblicuo” en un embalse interno, rodeado de pórticos ritmados con arcos de medio punto, cuyas únicas huellas son ahora las siete arcadas apreciables en el tramo sur del muro, englobadas en la cinta de muros del siglo XIII. Hacia finales de siglo también se edificaron algunas torres fortificadas adyacentes.
Parece que en el siglo XIV tuvieron lugar diversas modificaciones, entre ellas el nuevo levantamiento de la cinta de muro, la demolición de los pórticos del siglo XIII y el arredramiento del muro de fortificación al sur, el desplazamiento del canal en posición central y la construcción de nuevos pórticos con arcos ojivales para el paso de las galeras. Estas últimas estructuras se conservan todavía hoy a lo largo de cinco pasillos en el lado occidental del área.
Hacia finales del siglo XIV parte de los arsenales se reconvirtieron en almacenes y fábricas de armas. Tras la conquista florentina, el área fue prohibida a los pisanos, asumiendo la función de ciudadela fortificada de la dominante. Desde mediados del siglo XVI dejó de ser una fortaleza militar y allí fue instituido el Jardín Botánico, más adelante trasladado a otra parte de la ciudad. En el siglo XVIII fue sede de las cárceles y se edificó un cuartel de caballería, duramente castigado por los bombardeos de 1943, junto a la mayor parte de los arsenales medievales.