A construção primitiva data de 1585 e foi construída, em taipa de pilão, pelo alemão Cristóvão Linz, por iniciativa do Capitão-mor Frutuoso Barbosa, em local por ele escolhido, sendo batizada de Fortaleza de Santa Catarina. Quando o capitão deixou Cabedelo, a fortaleza foi destruída pelos indígenas, sendo reconstruída no início do século XVII. Resistiu aos ataques holandeses até 1634, quando por fim estes tiveram vitória. Em 1637, o Conde Maurício de Nassau, a rebatizou com o nome de Forte Margarida, sofrendo reformas comprovadas pela presença de tiljolos holandeses. Com a restauração do domínio português em 1654, a fortaleza recuperou seu antigo nome de Santa Cantarina, pois a capelinha em seu interior era dedicada a essa santa com sua bela imagem barroca. Era conhecida também por Fortaleza do Cabedelo ou Forte do Matos (em homenagem ao seu segundo comandante João de Matos Cardoso). Em 1698, passou por nova remodelação, que lhe deu sua forma atual. As pedras de cantaria vieram de Lisboa como lastro de navio e o projeto do Sargento-mor Pedro Correia Rebello, com alterações do engenheiro Luis Francisco Pimentel. Em 1703, D. Pedro II de Portugal mandou fazer reparos, e quando sua irmã Dona Catarina assumiu a regência do trono, mandou fazer obras para melhor aparelhar a fortaleza. Entre 1729 e 1734 foi coberto o corpo da guarda e feita a abóbada do portão. Em 1817 caiu em mãos dos revolucionários republicanos. Passou por um longo período de abandono, até ficar em ruínas. Foi restaurada pelo IPHAN, entre 1974 e 1978, de acordo com a planta do século XVIII.

O imóvel, de propriedade da União, é administrado, desde 1992, pela Fundação Fortaleza de Santa Catarina.

Integra o Programa Revive Brasil, do Ministério do Turismo, destinado à conservação e valorização do patrimônio imobiliário público, com valor cultural, por meio de parcerias e concessões com o setor privado para o desenvolvimento de empreendimentos turísticos.