W pierwszych latach po 1815 roku, w okresie Królestwa Polskiego pod zwierzchnictwem rosyjskim, twierdza była obsadzona przez nieliczne oddziały wojsk polskich i rosyjskich. Mimo licznych planów, nie podejmowano wówczas większych działań budowlanych mających na celu rozbudowę fortyfikacji. Zaniechano nawet konserwacji ziemno-drewnianych umocnień, która zaczęły popadać w ruinę. Sytuacja zmieniła się podczas powstania listopadowego w latach 1830–1831.

Wówczas twierdza została sprawnie przygotowana do obrony, uzupełniona o fortyfikacje polowe, a jej komendantem mianowano gen. Ignacego Ledóchowskiego. Po kapitulacji Warszawy w 1831 roku do Modlina przybyły liczne oddziały polskie, liczące około 32,5 tysiąca żołnierzy z 91 działami. Jednak po okrążeniu twierdzy przez wojska rosyjskie i przekroczeniu granicy pruskiej przez armię polską, obrona Modlina stała się bezcelowa i 9 października 1831 roku twierdza skapitulowała jako jeden z ostatnich punktów oporu powstania.

Po stłumieniu powstania listopadowego Imperium Rosyjskie rozpoczęło szeroko zakrojoną rozbudowę i modernizację istniejących umocnień, dostosowując je do nowych wymogów wojskowych i technologicznych.

Rozbudowę twierdzy zapoczątkowała w 1834 roku zmiany nazwy z Modlina na Nowogeorgiewsk (ros. Новогеоргиевск). Kierownictwo nad rozbudową objął generał inżynier Iwan Iwanowicz Dehn. Do roku 1844 roku na przeciwko rdzenia twierdzy, w widłach Narwi i Wisły, wybudowano imponujący spichlerz zbożowy, który miał strategiczne znaczenie dla zaopatrzenia garnizonu.

Wewnątrz francuskiego rdzenia bastionowego, zakończono budowę dwukilometrowego obwodu koszar obronnych, zdolnych pomieścić nawet 20 tysięcy żołnierzy. Był to charakterystyczny dla rosyjskich fortyfikacji budynek, podobny do tych zastosowanych w twierdzach Dęblin i Brześć. Koszary te, osłaniane z czterech kaponier, stanowiły tzw. trzeci obwód twierdzy Modlin i miały pełnić funkcję ostatniego punktu oporu w przypadku przełamania wcześniejszych linii obronnych. Budynki koszarowe wyposażono w strzelnice dla dział i broni piechoty.

W tym samym okresie ukończono także niewybudowane za czasów napoleońskich korony, uzupełniając je ciągłym umocnieniem poligonalnym z rawelinami oraz murem Carnota, co znacznie zwiększyło odporność twierdzy na ostrzał artyleryjski i ataki piechoty.

Rozbudowie uległ także fort „Ostrołęka”, powstały z rozbudowy dzieła rogowego położonego we wschodniej części twierdzy. Wzmocnienie tego elementu miało na celu lepszą ochronę przed ewentualnym atakiem od strony wschodniej.

W drugiej połowie XIX wieku twierdza Modlin miała ogromne znaczenie strategiczne dla Imperium Rosyjskiego, co znalazło odzwierciedlenie w kolejnych inwestycjach i modernizacjach. W latach sześćdziesiątych XIX wieku w cytadeli wybudowano również kilka prochowni, czyli magazynów amunicyjnych, które poprawiły logistykę i bezpieczeństwo przechowywania materiałów wybuchowych.

Znaczenie twierdzy znali także powstańcy styczniowi, którzy planowali nawet przejęcie twierdzy licząc na wsparcie części załogi i dostęp do znacznych zapasów broni i amunicji. W twierdzy znajdowało się wówczas około 70 tysięcy karabinów, 800 armat oraz 79 tysięcy ładunków prochowych. Spisek ten jednak nie powiódł się i twierdza pozostała w rękach rosyjskich przez cały czas trwania powstania.

Pomimo tych rozbudów i modernizacji, pod koniec XIX wieku system obronny ceglanej twierdzy stał się przestarzały wobec postępu technicznego w dziedzinie artylerii i taktyki wojskowej. W roku 1873 podjęto decyzję o rozbudowie twierdzy przez postawienie wysuniętych dzieł obronnych - fortów. Niemniej jednak do roku 1883 nie podjęto jeszcze prac budowlanych.

Okres lat od Powstania Listopadowego do połowy XIX wieku to czas intensywnej rozbudowy i modernizacji Twierdzy Modlin pod nadzorem rosyjskim, w którym powstały nowe obwody obronne, rozległe koszary, magazyny i ceglane fortyfikacje, tworząc kompleks militarny zdolny pomieścić i chronić wielotysięczny garnizon. Te działania ugruntowały pozycję Modlina jako jednej z największych twierdz w Europie połowy XIX wieku.