Nonostante i tre matrimoni contratti e la nomina del cugino Cesare come successore, il 27 ottobre 1597 moriva il duca Alfonso II d'Este, senza eredi legittimi. Ferrara ritornò giuridicamente sotto il governo della Chiesa. Con un seguito di 1500 persone, papa Clemente VIII Aldobrandini entrò a Ferrara l'8 maggio 1598 e durante i sei mesi di sosta affrontò con architetti, emissari, capitani, ingegneri romani e ferraresi la questione impellente di dotare la città di una struttura militare più adeguata alle potenziali minacce della confinante Venezia, e che al contempo fungesse da deterrente verso i nuovi sudditi ferraresi. Si deve al Generale delle Armate papali Mario Farnese l'idea di trasformare in una nuova cittadella quella fortificazione con bastionature di terra concepita dall'Aleotti e innalzata già alla fine del 1597 nel settore sud-occidentale della cinta muraria, di fronte a Castel Tedaldo. Dopo una stasi operativa di alcuni anni (dovuta anche a contrasti tecnici e personali tra sovrintendenti), la fortezza cominciò a prendere forma dal 1608, sotto il pontificato di Paolo V, con la direzione progettuale del Farnese e dell'ingegnere romano Pompeo Targone, affiancati dall'Argenta; proprio l'architetto ferrarese elaborò diversi disegni sui due accessi monumentali della piazzaforte: la Porta Reale rivolta verso la città e la Porta del Soccorso, affacciata sulla campagna.

Il modello architettonico dell'imponente struttura riprendeva la forma delle installazioni militari più studiate del secondo Cinquecento italiano ed europeo, quali i fortilizi pentagonali di Parma, Piacenza, Torino e Anversa. Per la costruzione ferrarese fu necessario abbattere oltre quattromila edifici situati nei borghi suburbani di San Giacomo e di San Luca, causando lo sfollamento di circa seimila persone: le drammatiche modalità dell'impresa furono attentamente descritte dai cronisti locali, che non esitarono a paragonarla alla distruzione di Cartagine raccontata da Polibio. In un decennio, tra il 1598 e il 1608, furono rasi al suolo botteghe, palazzi signorili, dodici chiese, fienili, stalle, diversi complessi residenziali estensi (in primis, l'edenica isola di Belvedere), giardini ducali, torrioni, portelli, chiaviche e cortine. Tra il 1611 e 1612 vennero abbassate le altezze delle due montagne artificiali, smantellate le vecchie mura urbiche che dall'antica Porta di San Romano si protendevano verso la cittadella pentagonale e ricostruite più a sud, dentro l'alveo del Po in allineamento con la stessa. Nel 1616 si abbassarono le mura sottostanti la Porta di San Benedetto affinché non sovrastassero la piazzaforte in via di ultimazione.

Nel 1618 la cittadella risultava “ben intesa et inespugnabile”, immersa nella fossa allagata tramite un complesso sistema di chiuse alimentate dall'acqua del Canalino di Cento; le strutture maggiormente citate nei documenti sono i cinque baluardi debitamente battezzati (San Francesco di Paola, Spinola, Borghese, San Paolo e Santa Maria), le caserme, i depositi, le polveriere, le armerie, l'abitazione del castellano e il piccolo tempio dedicato a Santa Maria dell'Annunziata, progettato da Aleotti a pianta rettangolare con portico a “nartex” sulla facciata.  Al centro della piazza d'armi fu posizionata nel 1618 la statua marmorea raffigurante un sedente Paolo V rivolto verso la città in segno benedicente, opera di Giovanni Lucca Genovese e di Serafino Colli.

Ulteriori opere di rinforzo alle fortificazioni ferraresi furono approntate durante la Legazione del cardinale Giulio Sacchetti (1627-1630), allorquando si riaccese una disputa franco-asburgica in merito alla successione di Carlo di Nevers al Ducato di Mantova. Furono costruite garitte cilindriche su quasi tutti i torrioni e baluardi, mentre a partire dal 1629 l'ingegnere maceratese Pietro Paolo Floriani sovrintese alle opere di sterro necessarie alle strade coperte, alle controscarpe e alla costruzione tra i cinque baluardi di altrettante “mezzelune” incamiciate in muratura, ovvero rivellini di forma triangolare a ulteriore difesa delle cortine; dietro suggerimento del frate cappuccino Giunipero, “uomo assai versato nella militare architettura”, nel 1630 si ampliò la spianata verso la città, con ulteriori demolizioni di chiese e fabbricati e si decretò la chiusura delle porte di San Pietro e dell'Amore nella cinta bastionata di Alfonso II (con i marmi ricavati dalla prima utilizzati per l'ornamento della citata Porta Reale).

Nel 1805 Napoleone ne decretò lo smantellamento parziale, facendo minare buona parte dei bastioni: abbandonata fino alla caduta del governo italo-francese, la fortezza rinacque dopo il 1814, quando il Genio delle guarnigioni austriache ne ripristinò la configurazione originaria, rimasta inalterata fino al 1859. Il 22 giugno di quell'anno, infatti, si deliberò la definitiva demolizione, portata a termine nel 1865, risparmiando solo i baluardi di S. Maria e S. Paolo e la chiesa mariana, distrutta dai bombardamenti dell'ultima guerra mondiale.

Dopo la distruzione dei tre baluardi, la cortina mancante fu ricostruita con un nuovo andamento per ricollegare il tracciato della cinta esistente. Si ottenne quindi una vasta area libera, detta Spianata,  poi Piazza d'Armi di Ferrara: dagli anni '20 del Novecento, la grande spianata divenne il Rione Giardino, ove sorsero qualificate architetture pubbliche quali la Caserma dei Carabinieri (1925-1926), la scuola “Mario Poledrelli” (1928), lo stadio comunale “Paolo Mazza” (1928) e il monumentale serbatoio dell'acquedotto progettato da Carlo Savonuzzi con la collaborazione di Enrico Alessandri (1930-32).

La zona subì gravi danni nel corso dell'ultima guerra (tra cui l'abbattimento della chiesa aleottiana di Santa Maria dell'Annunziata, già soppressa nel 1808 e ridotta a magazzino) e tra gli anni '50 e '60 gli aggiustamenti apportati hanno favorito la configurazione attuale, non senza notevoli manomissioni: in particolare venne interrotta la continuità della cortina muraria lungo il Viale IV Novembre per effetto dell'apertura di tre varchi verso l'area della Stazione ferroviaria. Da Viale Cavour all'inizio del Baluardo di Santa Maria, l'altezza della muraglia (sistemata nel 1966/67) è ridotta a circa due metri ed altrettanto accade attorno al baluardo di San Paolo. Il fossato e la controscarpa rimangono ben leggibili solo tra le due opere fortificate. Va qui ricordata la tenace campagna condotta dall'associazione culturale Ferrariae Decus per difendere questo importante tratto di mura e con essa l'intera cinta. L'opera dell'associazione fu esemplare e, anche se non poté evitare i guasti lamentati, ottenne una sensibilizzazione del Comune e dello Stato per il problema della salvaguardia delle mura e fu determinante per il vincolo storico monumentale dell'intera cerchia e del vallo (decreti del 1953/54).

I lavori previsti dal “Progetto Mura” degli anni Ottanta-Novanta “hanno consentito il recupero dei due baluardi di Santa Maria e di San Paolo dell'ex fortezza e la definitiva riqualificazione dell'area antistante, dove è stata realizzata una pista pedonale e ciclabile. I due baluardi sono ora parte integrante del parco pubblico di Viale IV Novembre: a seguito di un restauro, nell'aprile del 2003 la statua di Paolo V è stata finalmente ricollocata sul basamento del terrapieno, dopo un oblio di oltre mezzo secolo presso il cortile di un asilo limitrofo.

A poca distanza dal monumentale Paolo V, si può notare il cippo in forma di piccolo obelisco marmoreo a ricordo di Giacomo Succi (possidente), Domenico Malagutti (medico) e Luigi Parmeggiani (oste), eroi risorgimentali ferraresi di simpatie mazziniane fucilati dagli austriaci il 16 marzo 1853, fuori dalla Porta del Soccorso, uno degli accessi alla fortezza papalina: il bassorilievo in marmo realizzato da Gianvito Saladino su iniziativa della Ferrariae Decus, è stato inaugurato il 16 marzo 2011 nell'ambito delle celebrazioni del 150° anniversario dell’Unità d’Italia.