La nuova costruzione commissionata da Nicolò II a Bartolino da Novara sorse presso le mura della città a ridosso di una vecchia torre di avvistamento duecentesca situata accanto alla Porta dei Leoni, in posizione leggermente avanzata. Questa costruzione, che si presentava in origine come una massiccia torre quadrata in mattoni, era stata oggetto di trasformazioni già nel corso della prima metà del XIV secolo, quando era stata trasformata, grazie ad un incamiciamento murario che dalla base saliva fino al primo piano costituendo attorno a tutta la costruzione un anello di spalti dove potevano venir collocate le artiglierie, in Rocca. Batolino da Novara, dunque, progettò la nuova costruzione partendo dalla Rocca dei Leoni unendola a tre nuove torri quadrate disposte a quadrilatero e collegate tra loro da corpi di fabbrica più bassi. Il risultato fu un grande edificio quadrato con imponenti torri quadrate ai lati e coronato da merli su beccatelli. Ogni lato del castello fu dotato di un accesso, ciascuno dei quali racchiuso in un robusto avancorpo alto come i corpi di fabbrica e collegato alla cinta muraria e all’esterno tramite un ponte levatoio e un rivellino, mentre la Torre dei Leoni mantenne una posizione emergente rispetto alla complessità della struttura.
Il castello fu dotato di bifore molto piccole, mentre nei piani bassi furono aperte feritoie molto strette.
A partire dalla seconda metà del XV secolo il castello conobbe una fase di modifiche in armonia con le esigenze abitative della corte estense che dal 1479, sotto il ducato di Ercole I, si trasferì definitivamente in castello. I nuovi interventi contribuirono gradualmente a trasformare il castello in prestigiosa residenza principesca, sede di una delle corti più raffinate e colte dell’Italia rinascimentale. In questo periodo venne demolita la porta dei Leoni e le mura ad esse collegate.
Un violento incendio scoppiato nel 1554 distrusse quasi tutto il coronamento dell’edificio. L’architetto che ne curò il restauro, Girolamo da Carpi, non ritenne necessario ricostruire le merlature, ma alzò di un piano i copri di fabbrica. Nel 1570 l’architetto Alberto Schiatti completò le quattro torri munendole di quattro edicolette, che ne segnarono l’aspetto originale e definitivo, sospeso tra Medioevo e Rinascimento. Un fossato conservatosi fino ai nostri giorni colmo d’acqua circonda tutta la costruzione.
Dagli anni ’80, grazie alla Provincia che ne è tuttora proprietaria, il castello è stato oggetto di un sapiente piano di recupero e valorizzazione.