Op het eind van de zeventiende eeuw, op 23 juli 1694, namen de Staten (eindelijk) het besluit om Brielle op een ingrijpende wijze van nieuwe verdedigingswerken te voorzien. De nieuwe vorm die de stad zou krijgen werd ontworpen door vestingbouwers Willem Paen (die werkte voor de Staten van Holland) en zijn beroemde evenknie Menno van Coehoorn (die werkte voor de stadhouder en de Staten-Generaal). Sinds 1713 is er weinig aan de vesting veranderd, waardoor de verdedigingswerken tot de belangrijkste van Nederland behoren.

Om de stervormige omwalling te realiseren werd de zuidzijde van de stad geheel afgebroken. In totaal 159 huizen en schuren gingen tegen de vlakte, waarna de uitstulping van Brielle kon worden ‘afgesneden’. Enkele stadspoorten werden verplaatst en in de binnenstad werd het Groot Arsenaal (de huidige bibliotheek) gebouwd. Deze verbouwing werd in 1713 afgerond.

In de daarop volgende jaren verrezen in en rond de stad tal van gebouwen, waarvan vele nog altijd gezichtsbepalend voor Brielle zijn.

In 1781, in de tijd van de Vierde Engelse Oorlog - waarvoor de stad in staat van hoogste paraatheid was gebracht -, werd een naast het Groot Arsenaal gelegen schuur gekocht en ingericht als affuitmagazijn, bestemd om er de onderstellen van kanonnen onder te brengen. Het moest bovendien ook als infirmerie gebruikt kunnen worden met twee ziekenzalen, die plaats boden aan ruim veertig bedden.

Enkele jaren later, in 1789, verrees aan de Markt, op de plaats van de oude, een nieuwe Hoofdwacht (zie Uitgelicht), van waaruit de militaire wacht naar de poorten trokken. Onder leiding van Johan van Westenhout werd een gebouw in Lodewijk XVI-stijl neergezet. Vanuit dit gebouw werd de bewaking van de stadspoorten geregeld. De samenwerking tussen de gemeente en Johan van Westenhout beviel zo goed, dat hij in 1791 opdracht kreeg ook het stadhuis (zie Uitgelicht) te verbouwen. Het eeuwenoude stadhuis bestond door verschillende verbouwingen al uit een scala van bouwstijlen - zo zijn er gotische en zeventiende-eeuwse elementen in terug te vinden - en Johan van Westenhout verenigde deze aspecten in een Lodewijk XVI-stijl waardoor er ook een samenhang met de tegenovergelegen Hoofdwacht tot stand kwam.

Achter het stadhuis werden rond 1623 de waag en gevangenis gebouwd. De stadstimmerman Maarten Cornelis Paayse verzorgde de bestekken en zag toe op de bouw. In 1630 was dezelfde Paayse ook verantwoordelijk voor de bouw van een nieuwe vuurtoren, de Stenen Baak. En aan voet van de Catharijnekerk werd in 1688 de Provoost (zie Uitgelicht) gebouwd, de militaire gevangenis waarin een krijgsraadkamer en verschillende cellen waren ingericht.