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. W 1844 roku w pobliżu twierdzy, naprzeciwko niej, w widłach rzek, wybudowano imponujący spichlerz zbożowy, który miał strategiczne znaczenie dla zaopatrzenia garnizonu.

Najważniejsze prace fortyfikacyjne miały miejsce w latach 60. XIX wieku, kiedy to na polecenie generała Eduarda Totlebena, słynnego rosyjskiego inżyniera fortyfikacji, wzniesiono wewnątrz francuskiego rdzenia bastionowego dwukilometrowy obwód koszar obronnych, zdolny pomieścić nawet 20 tysięcy żołnierzy. Był to charakterystyczny dla rosyjskich fortyfikacji system, 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, a całość otoczono szerokim rowem.

W tym samym okresie ukończono także zarzucone po 1813 roku korony, uzupełniając je ciągłym umocnieniem poligonalnym z rawelinami oraz murem Carnota, co znacznie zwiększyło odporność twierdzy na ostrzał artyleryjski i ataki piechoty. W latach sześćdziesiątych XIX wieku w cytadeli wybudowano również kilka prochowni, czyli magazynów amunicyjnych, które poprawiły logistykę i bezpieczeństwo przechowywania materiałów wybuchowych.

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 zyskała ogromne znaczenie strategiczne dla Imperium Rosyjskiego, co znalazło odzwierciedlenie w kolejnych inwestycjach i modernizacjach. W przygotowaniach do powstania styczniowego planowano nawet przejęcie twierdzy przez powstańców, którzy liczyli 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 zaczął powoli stawać się przestarzały wobec postępu technicznego w dziedzinie artylerii i taktyki wojskowej. Niemniej jednak do roku 1883 nie podjęto jeszcze radykalnych zmian konstrukcyjnych, a twierdza nadal pełniła ważną rolę jako punkt strategiczny i garnizon wojskowy.

Okres od 1815 do 1883 roku 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 XIX wieku.