La Fortezza del Girifalco, di probabile origine etrusca, è stata una postazione utilizzata prima dai Goti e poi dai Longobardi, nel periodo delle scorrerie barbariche. Notizie certe della sua esistenza si hanno però solo a partire dal 1258, grazie ad un atto di cessione del complesso, che viene acquisito da Arezzo.

Nel corso degli anni ha subito numerose modifiche e ristrutturazioni, iniziate in parte nel 1266 e proseguite poi nel XIV per volontà dei Casali, signori di Cortona per tutto il Trecento. Un'ulteriore opera di rafforzamento è stata eseguita dai Senesi all'epoca della loro alleanza con i Cortonesi nella battaglia contro Arezzo ed i guelfi locali. L'opera più imponente, che ha donato al fortilizio la sua attuale fisionomia architettonica, è stata però eseguita dai Fiorentini, proprietari della rocca a partire dal 1411.
Nel XV secolo viene realizzato il corpo centrale della fortezza e a metà del Cinquecento interviene su di essa Cosimo I de' Medici. A seguito di una lunga ispezione di tutte le fortificazioni da poco entrate nel dominio di Firenze, il Granduca rimane colpito dalla peculiare posizione di quella di Cortona. Decide allora di farne uno dei baluardi più imponenti del potere mediceo nell'aretino. Sebbene l'opera, avviata nel 1556, sia stata finanziata con denaro fiorentino, la popolazione locale ha comunque contribuito di tasca propria, colpita da una pesante tassazione.
Il nuovo castello si presenta con un perimetro trapezoidale di mura che lo circondano e quattro imponenti bastioni intitolati a Santa Margherita (non molto lontana sorge infatti la chiesa intitolata alla patrona di Cortona), Santa Maria Nuova, Sant'Egidio e San Giusto. Trovano collocazione al suo interno le moderne postazioni per l'artiglieria, la polveriera ed il carcere. Le mura, inoltre, vengono concepite con progetti di ultima generazione, munite ai loro piedi di terrapieni studiati per attutire i colpi dei cannoni.
La città trae fin da subito i benefici della nuova ristrutturazione, che gli permette di difendersi dalla pressione dei Senesi e dello Stato della Chiesa, i cui confini non sono molto lontani da quelli di Cortona. Con il nuovo clima di pace e stabilità politica instauratosi a partire dal XVII secolo, l'interesse dei Granduchi per le costruzioni militari inizia a sfumare, in favore dei fastosi palazzi residenziali e la rocca inizia progressivamente a perdere di importanza. La Fortezza del Girifalco diventa così la sede di una piccola guarnigione che ha esclusivi compiti di polizia cittadina.