4 grudnia 1830 r. twierdza została zajęta przez powstańców i wkrótce pod kierunkiem polskich inżynierów przystąpiono do prac modernizacyjnych, odbudowano zniszczony most pod Zegrzem oraz zbudowano drogi dojazdowe pod Serockiem. Po kapitulacji Warszawy Modlin od 20 września do 9 października 1831 r. stał się głównym punktem obronnym wojsk polskich. Obroną twierdzy dowodził wtedy gen. Ignacy Ledóchowski. Władze carskie w 1834 r. zmieniły nazwę twierdzy na Nowogeorgijewsk i przystąpiły do gruntownej modernizacji i rozbudowy Modlina (w latach 1832-41) według proj. inż. Iwana J. Dahna i A. Feldmana, wznosząc zewnętrzne bastiony i działobitnie składające się z 6 frontów. W kurtynach obwodu wewnętrznego założono bramy, w kurtynie zachodniej także poternę (przejście podziemne). W latach 1832-40 w twierdzy przechowywany był ufundowany przez społeczeństwo polskie pomnik ks. J. Poniatowskiego (obecnie w Warszawie przed pałacem prezydenta). Po przekazaniu pomnika księciu Iwanowi Paskiewiczowi został wywieziony stąd do Homla, skąd powrócił do Warszawy w 1922 r. Twierdza rozbudowywana była jeszcze po 1864 r. wg wskazań gen. Edwarda Todtlebena. W 1878-80 przekształcono Modlin w twierdzę fortową (pierścieniową). Zbudowano pierścień 8 fortów: Zakroczym, Kosewo, Pomiechówek, Janówek, Dębina, Małocice, Cybulice Małe i Grochale, rozmieszczając je w odległości 2-6 km od twierdzy, a w latach 1912-14 pierścień zewnętrzny (10 fortów w odległości 4,5 – 8 km od cytadeli) na obwodzie blisko 50 km. Liczne forty polowe i przedmościa chroniły twierdzę przed niespodziewanym atakiem nieprzyjaciela i osłaniały linię kolei nadwiślańskiej Warszawa – Mława. W 1877 r. zbudowano na Narwi dwupoziomowy most żelazny (górą drogowy, dołem kolejowy) wg proj. inż. Stefana Zielińskiego. W latach 1875-1900 na terenie twierdzy wybudowano też osiedle oficerskie i kasyno wojskowe. W sierpniu 1915 r. Modlin, mimo licznej rosyjskiej załogi (ponad 100000 żołnierzy, w tym 30 generałów), został dość szybko (w ciągu 7 dni) zdobyty przez wojska niemieckie. Na początku listopada 1918 r. niemiecka załoga została rozbrojona przez polskich żołnierzy. Od 1919 r. Modlin stał się także portem (przedmoście kazuńskie) dla nowo powstałej Wojennej Flotylli Wiślanej i ośrodkiem szkolenia marynarzy. W okresie międzywojennym w istniejącej tu Szkole Specjalistów Morskich kształciło się ok. 1600 marynarzy. Baza w Modlinie (następnie także w Toruniu) ze stocznią, warsztatami, magazynami i portem była zapleczem dla polskiej floty wojennej. W czasie wojny polsko-bolszewickiej w sierpniu 1920 r. w Modlinie mieściła się kwatera dowódcy V armii WP gen. Władysława Sikorskiego. 16 sierpnia 1920 r. w rejonie Modlina doszło do bitwy pomiędzy oddziałami polskimi ze składu V armii i z załogi fortecznej pod dowództwem płk. Edwarda Malewicza a oddziałami bolszewickimi z III armii komandira IV.5. Łazarewicza. W wyniku walk oddziały sowieckie zostały wyparte w kierunku Nasielska. W okresie międzywojennym poza Szkołą Specjalistów Morskich w Modlinie miały swoje siedziby Korpus Kadetów (od 1919 do 1926 r.), Centrum Wyszkolenia Saperów (od 1926 r.) i Centrum Wyszkolenia Broni Pancernej (od 1936 r.). Stacjonowały tu dowództwa 8 DP i 32 pp. W czasie wojny obronnej 1939 r. Modlin początkowo stanowił zaplecze dla armii „Modlin”, a następnie wsławił się bohaterską obroną załogi polskiej pod dowództwem początkowo płk. W. Młodzianowskiego, następnie gen. bryg. S. Małachowskiego, a 13-29 września 1939 r. gen. bryg. Wiktora Thommće. W walce zginęło ok. 1700 żołnierzy polskich, rannych było ok. 3000, a ok. 12 000 Niemcy wywieźli do obozów przejściowych w Mławie, Iłowie i Działdowie.