Во время подавления январского восстания в крепости содержались «бунтовщики», например комиссар Подляшского отряда Роман Рогински. Здесь же приводились в исполнение смертные приговоры. Виселица во дворе тюрьмы, прозванной в народе «Бригитки», стояла на протяжении 30 лет. Гарнизон крепости ввиду слабой подготовки в боях с восставшими участия не принимал в отличие от квартировавших в Бресте частей 3-й пехотной дивизии: 11-го пехотного Псковского генерал-фельдмаршала князя Кутузова — Смоленского полка и 32-го Донского казачьего полка. Командир последнего полковник Г.А. Леонов имел отличия «за усмирение польского мятежа» и исполнял обязанности Брестского уездного военного начальника.
В 1867 г. гарнизон крепости состоял из одного генерала, двадцати штаб-офицеров, семидесяти девяти обер-офицеров, тридцати двух классных чинов, двух священников. Здесь находились 3588 нижних чинов и 672 арестанта. Управление было представлено комендантом «по полевой пешей артиллерии» генералом И.Е. Штаденом, «состоявшим по армейской пехоте» полковником А.П. Борисовым, плац-майором и двумя плац-адъютантами.
Крепость уже не вполне соответствовала своему назначению. На вооружение была принята нарезная артиллерия, дальнобойность, точность и разрушительное действие которой значительно превышали возможности гладкоствольных пушек. Это нужно было учитывать при строительстве фортификационных сооружений. Поэтому в 1862 г. директор Главного инженерного управления генерал-адъютант Э.И. Тотлебен представил военному министру Д.А. Милютину записку, в которой предлагалось завершить строительство крепостных укреплений в европейской части России и обеспечить их дополнительными мерами защиты от огня, особенно навесного. В частности, Тотлебен указывал на то, что высокие каменные казармы и многоярусные башни являются отныне лишь хорошими целями, неспособным эффективно противостоять осадной артиллерии, и рекомендовал прикрывать каменные постройки гласисами, разбирать верхние ярусы казематов и укрывать их толщей земли. Для реализации этих задач генерал предлагал в течение 16 лет выделять до 3 миллионов рублей ежегодно. Предложения Тотлебена рассматривались в особом комитете. Денег в империи не хватало, поэтому комитет постановил новых работ в крепостях не предпринимать, а ограничиться приведением в исправность и готовность существующих сооружений. Таким образом, в соответствии с этим решением все русские сухопутные крепости оставались в недостроенном виде, с высокими каменными постройками, неприкрытыми от разрушительного действия нарезной артиллерии.
Директор главного инженерного управления генерал-адъютант Э.И. Тотлебен (1818–1884).Тем не менее с весны 1864 г. началась скромная по масштабам, поэтапная реконструкция Брест-Литовской крепости. В этот период дополнительными казематами был укреплен главный земляной вал, насыпаны внутренние траверсы, построены два пороховых погреба на 5000 пудов каждый, укреплены булыжными камнями берега Буга и Мухавца.
Пороховой погреб в восточной части Кобринского укрепления. Вход в каземат Западного редюитаВ 1864–1868 гг. по проекту Э.И. Тотлебена в горже I и III бастионов Кобринского укрепления были возведены Западный и Восточный казематные редюиты. Каждый редюит состоял из контрэскарповой галереи подковообразной формы, рва и вала, в котором размещались двухъярусная казарма, цейхгауз, два пороховых погреба, пекарня, кухня и столовая для нижних чинов. Ров перекрывался капонирами «для ружейной обороны». Гарнизон укрепления состоял из батальона пехоты
Восточный редюит занял место снесенной Тринитарской казармы. Позади редюитов вдоль правого рукава реки Мухавец были Вход в каземат Западного редюита, возведены две отдельные батареи, прикрывавшие северную часть оборонительной казармы Цитадели.
Для обеспечения необходимыми стройматериалами в 1867–1868 гг. на эспланаде Кобринского укрепления к северо-западу от Александровских ворот был посажен строевой лес, а в деревне Гершоны вновь построен кирпичный завод, на этот раз казенный.
Ежегодно в ноябре — декабре на стол генерал-инспектора по инженерной части ложился подписанный начальником инженеров Варшавского округа «Генеральный план Брест-Литовской крепости» с отчетом о выполненных и планируемых работах. Крепостная позиция неуклонно усиливалась и усложнялась.
В конце 1860-х гг. севернее крепости проложили железную дорогу Москва — Варшава, насыпь которой образовала мертвую зону перед Кобринским укреплением. Для контроля за этим участком в 1869 г. было начато сооружение передового укрепления «Граф Берг» и крупной земляной батареи. Это был первый форт Брест-Литовской крепости, вынесенный на расстояние 850 метров от главной оборонительной линии. Форт, пятиугольный в плане, состоял из контрэскарповой галереи на напольном и боковых фасах, рва и главного вала, в котором размещались два фланговых капонира, двухэтажная казематированная казарма, соединявшаяся с капонирами аппарелями. В горжевой части находились полукапонир, два пороховых погреба и кухня. Основные строительные работы были завершены в 1872 г. Мощеная дорога связывала форт с Кобринским укреплением через Александровские ворота, которые были переименованы в Белостокские. Тогда же в крепости углубили и расширили рвы, устроили в них капониры, перестроили мосты, северо-восточную часть кольцевой казармы приспособили под паровую мукомольную мельницу.
Крепость в то время имела на вооружении 757 орудий, почти половину составляли нарезные 24-фунтовые и 8-дюймовые пушки и мортиры образца 1867 г. с дальностью стрельбы до 7000 метров.
В 1876 г. в южной части Кобринского укрепления было закончено строительство сводчатой артиллерийской лаборатории с двумя мощными казематами, предназначенными «для варки составов», и «домика фейерверкера» при ней, а на Волынском — «машинного здания» для снабжения водой госпиталя. Архитектурным центром Цитадели стала законченная в 1878 г. гарнизонная Свято-Николаевская церковь. Постройка храма, его роспись, внутреннее убранство, утварь обошлись казне в 300 тысяч золотых червонцев.
Чертеж укрепления «Граф Берг». 24-фунтовая чугунная крепостная пушка образца 1867 г.До совершенства была доведена водно-инженерная система. Выше и ниже крепостной позиции на Мухавце и Буге устроили шлюзы системы Пуаре. Обводные рвы укреплений отделялись от рек плотинами, в которых были проложены «каменные трубы» с заслонками. Это позволяло регулировать уровень воды в каналах, а при необходимости ее можно было спустить и сделать канал любого укрепления сухопутным. Рядовой Корнелий Гагал, служивший в крепости в конце XIX в., вспоминал, что «воды в канале было вровень с берегом, а рыбы — что листьев на дереве». Рыбу разводили специально на случай длительной осады, ловить ее запрещалось.