Первоначально на береговых батареях крепости были установлены гладкоствольные орудия, по состоянию на май 1863 года строившиеся укрепления имели на вооружении 2 трехпудовые бомбовые пушки, 52 60-фунтовые и 3 36-фунтовые пушки, а также 24-, 12- и 6-фунтовые пушки, пудовые и полупудовые единороги, двух- и пятипудовые мортиры, карронады. Однако уже с конца 1860-х годов гладкоствольные пушки стали вытесняться нарезными артсистемами, производство которых было начато на отечественных заводах. В частности, на батареях керченской крепости устанавливались 8-дюймовые (203-мм) береговые пушки обр. 1867 г. (со скрепленными стволами, выпуск с 1868г. на Пермском орудийном заводе, на 01.06.1869 из заказанных заводу 28 орудий 11 были изготовлены и готовы к отправке в Керчь); по состоянию на 19 сентября 1876года в крепости помимо гладкоствольных имелось 15 11-дюймовых, 12 9-дюймовых и 33 8-дюймовых пушек обр. 1867 г., 19 24-фунтовых пушек и 20 6-дюймовых мортир. К началу 1877года число 6-дюймовых мортир возросло до 38. В дальнейшем арсенал пополнялся 9-дюймовыми (229-мм) береговыми мортирами обр. 1867 и 1877 г. (по состоянию на 28.03.1888г. имелось 8 9-дм. мортир обр. 1867 г. и 9 обр. 1877 г., кроме того 4 мортиры обр. 1867 г. находились в особом запасе), 11-дюймовыми (280-мм) береговыми пушками обр. 1867 и 1877 г. (с августа 1885г. по июнь 1890г. в крепость было направлено семь 11-дюймовых чугунных пушек обр. 1877 г. Пермского завода).
Эффективность воздействия этих орудий по современным им кораблям была достаточно высока. Для 11-дюймовой береговой пушки обр. 1867 г. дальность стрельбы 225,2-кг стальным бронебойным снарядом при начальной скорости 389м/с и угле возвышения 14°54' составляла 5335м. Бронебойным снарядом со свинцовой оболочкой эта пушка на малой дистанции могла пробить 305-мм броню, что было проверено на полигоне при стрельбе по макету отсека английского броненосца «Геркулес». При стрельбе из той же пушки бронебойными снарядами с медными поясками бронепробиваемость возростала до 360мм у дула и 280мм на дистанции 2км. Соответственно, 11-дюймовые пушки обр. 1877 г. пробивали у дула броню толщиной 420мм, а 280-мм броню— на дистанции 5,3км.
Со стороны суши береговые батареи прикрывались большим центральным укреплением, называемым также форт «Тотлебен», к которому примыкали два люнета, Минский и Виленский. Промежуток между Минским люнетом и центральным укреплением перекрывался Литовской батареей. Кроме того на мысе Ак-Бурун имелось укрепление, соединенное длинной куртиной с фасом Виленского люнета. Длина сухопутного фронта крепости— около 3км. Рвы укреплений шириной 15м и глубиной до 5м, частично вырубленные в скале, фланкировались огнем из 17 капониров и полукапониров, из которых до наших дней сохранилось 10. С юго-западного направления вдоль фасов центрального укрепления и его равелина ров был снабжен контрэскарпной стеной арочного типа с галереей, служившей началом для 82 контрминных галерей, а также невысокой, не более 2м, эскарпной стеной. Каждая из контрминных галерей примерно на 50 метров уходила в сторону эспланады крепости и заканчивалась тремя пятиметровыми минными камерами. Ширина галерей 1,8м, высота — до 1,8м, галерея могла снабжаться каменной одеждой в зависимости от грунта, в котором она проходила. Перед рвом был устроен гласис с позициями для стрелков, артиллерии и прикрытым путем, а на границе эспланады крепости были оборудованы передовые позиции. Сухопутный фронт крепости располагал шестью казематированными мортирными батареями, первоначально вооруженными предположительно 6-дм. медными нарезными заряжающимися с дула мортирами, которые в 1880-х годах были заменены более мощными 8-дм. чугунными мортирами обр. 1867 г.
Севернее крепости было сооружено трапецевидное в плане замкнутое передовое укрепление с напольным фасом длиной примерно 280м и горжей в 400м. Из казематированных построек на этом укреплении находились казарма, два траверса, два полукапонира и горжевой капонир на четыре орудия.
В крепости имелось большое количество казематированных помещений, в которых могло разместиться до 2500 человек гарнизона. Основными строительными материалами для казематированных построек послужили камень и кирпич: стены из камня на растворе снаружи отделывались тесанными каменными блоками, на них опирались мощные своды в 4 кирпича общей толщиной 1,1м (иногда своды делались каменными той же толщины), прикрытые сверху земляной обсыпкой. Центральное укрепление имело семь казематированных казарм, из которых сохранились четыре. Каждая казарма состояла из 8-10 сводчатых казематов, соединенных в глубине постройки длинной галереей. Кроме казарм имелись также различные казематы дежурных частей, укрытия, что было связано с необходимостью защитить гарнизон крепости от воздействия осадной артиллерии по опыту бомбардировок Севастополя в ходе его обороны в 1854—55 г.г. Крепость располагала развитой системой подземных коммуникаций: все капониры и полукапониры были соединены потернами с внутренним двором укреплений, у капониров были предусмотрены выходы в ров, казематы дежурных частей в некоторых случаях располагались в толще вала рядом с капониром или же у выходов из потерны во внутренний двор. Наиболее протяженный тоннель длиной около 600м соединял центральное укрепление и береговые батареи. Выходы из потерн по возможности приближены к расположенным рядом казармам, подходы к ним обвалованы для дополнительной защиты, то есть при проектировании крепости все эти моменты учитывались, и крепостные постройки не просто размещались на местности, а образовывали достаточно сложный комплекс. Если взглянуть на центральное укрепление, то за его валом со стрелковыми позициями можно увидеть две казематированных казармы, слева к ним выходят три потерны, ведущие к двум полукапонирам и капониру, простреливавшим ров вдоль левого фланка центрального укрепления и правого фаса равелина, а справа одна потерна ведет на нижний ярус стрелковой позиции центрального укрепления, другая — длиной более 100м — к еще одному интересному фортификационному решению: двухуровневуму капониру у входящего угла левого фаса Виленского люнета. Дело в том, что ров Виленского люнета проходит гораздо ниже по уровню рва центрального укрепления, и чтобы фланкировать сходящиеся в том месте три участка рва были построены три полукапонира, причем один из них ниже двух других, а соединены они были несохранившейся до наших дней винтовой лестницей, устроенной в колодце диаметром около 10м, к которому и выходит потерна. Потерны внутри облицованы камнем, их ширина 2,7м, высота 2,1м.
Пять пороховых погребов общей вместимостью 22 тыс. пудов пороха обеспечивали запас на 56тыс. выстрелов для орудий, а их интересной особенностью стали двойные стены со специально оставленным воздушным проёмом, что было сделано для поддержания необходимого температурного режима хранения пороха. Кроме колодцев для снабжения крепости водой между Передовым и Ак-Бурунским укреплениями были сооружены два расположенных каскадом искусственных пруда, вода из которых очищалась «двойным фильтром английской системы». В 1875 году были устроены казематированные цистерны на 280 тыс. ведер, имелся также и водоопреснительный аппарат. Крепость располагала развитой сетью дорог, по состоянию на 1863 год имелась конная железная дорога. Осенью 1899 года было начато сооружение крепостной ветки железной дороги нормальной колеи протяженностью 15,3 км, соединявшейся с уже существующей веткой на Камыш-Бурун.
Керченская крепость была полностью окончена и приведена в оборонительное состояние к началу русско-турецкой войны 1877—1878 гг. Однако в дальнейшем мероприятия по усилению и модернизации крепости проводились в очень незначительном масштабе, и к концу XIX века она уже не отвечала достигнутому прогрессу в развитии артиллерии. Бетоном были усилены лишь некоторые сооружения, которые могли подвергнуться обстрелу с моря: станция минной обороны, выход из коммуникационного тоннеля и ряд вентиляционных колодцев, из бетона была построена отдельная орудийная позиция у левого фланка Минского люнета. Казематированные постройки крепости не модернизировались и не могли противостоять обстрелу из тяжелых морских или осадных орудий. В 1909 году статус Керченской крепости был понижен, официально она перестала быть «крепостью» и стала именоваться «Керченские укрепления» с гарнизоном из одной артиллерийской роты, одной минной роты и подразделений боевого и тылового обеспечения. В 1910году комендантом Керченских укреплений был полковник Степанов Николай Николаевич, он же командовал и артиллерийской ротой. В годы первой мировой войны на территории крепости была построена батарея 6" пушек Канэ, под номером 2 входившая в керченскую группу береговых батарей, по состоянию на 1916 год ею командовал мичман Чихачев Д.С. После революционных потрясений сооружения крепости продолжали оставаться в ведении военных, в октябре 1926года относившаяся к армии Керченская артиллерийская группа береговых батарей была расформирована с передачей всех видов вооружения, запасов и имущества флоту. В дальнейшем на территории крепости располагалась как подразделения флота, входившие в состав Керченской военно-морской базы (КВМБ), в том числе уже упоминавшаяся 6" береговая батарея (на начало 30-х годов она обозначалась как № 48), противокатерная батарея № 9 75-мм пушек на мысе Ак-Бурун, в Павловской бухте находилась база гидроавиации, так и различные армейские подразделения: на валу центрального укрепления была построена одна из трех прикрывавших Керчь стационарных зенитных батарей на четыре 76-мм орудия Лендера обр. 1915/28 г., но в основном сооружения крепости использовались в качестве
В конце октября 1941года немецкие войска, прорвав оборону частей Приморской и 51-й армий на Ишуньских позициях, вышли на оперативный простор в равнинной части Крыма. Наши войска были вынуждены отступать, Приморская армия отходила к Севастополю, а 51-я — в направлении Керчи, но остановить противника ни на Ак-Монайском рубеже, ни на подступах к Керчи она не смогла. Более того, когда 12 ноября в Керчь прибыл представитель Ставки маршал Г.И. Кулик, управление войсками было полностью потеряно, в городе наблюдалась паника, в стрелковых дивизиях оставалось по 300 человек, говорить о какой-либо обороне было уже невозможно. К тому моменту Керченская крепость уже два дня была в руках противника. При этом Керченская военно-морская база сумела вывезти на Тамань всю матчасть размещенных в крепости береговых батарей № 9 и № 48, а каждая 6-дм. артустановка весила без малого 15 тонн, но почему-то никто не озаботился уничтожением флотских же складов боеприпасов, где находилось три-четыре тысячи тонн крупнокалиберных снарядов и авиабомб, так что неразбериха была та еще…