Το 1479, η άρνηση πληρωμής φόρου υποτέλειας στην Οθωμανική Αυτοκρατορία από τον Λεονάρδο Γ΄ Τόκκο (1449-1479), είχε ως αποτέλεσμα το φρούριο να περάσει αμαχητί στην κατοχή των Οθωμανών, μέχρι και το 1502, που το καταλαμβάνουν βραχυπρόθεσμα οι Ενετοί. Κατά τα χρόνια της παρουσίας των Οθωμανών στο κάστρο (1479-1502), φαίνεται πως πραγματοποιήθηκαν ελάχιστες εργασίες για τον εκσυγχρονισμό της οχύρωσής του. Στις 23 Αυγούστου 1502, ο Βενετός Ναύαρχος Πέζαρο (Pesaro), διοικητής του στόλου από πλοία που μεταφέρουν βενετικά, γαλλικά και παπικά στρατεύματα – καταπλέει στη Λευκάδα με την εντολή να καταλάβει το κάστρο της Αγίας Μαύρας. Ύστερα από πολιορκία επτά ημερών κατορθώνει να κάμψει την αντίσταση των Οθωμανών στρατιωτών, που το φρουρούσαν και να υψώσει σε αυτό, για πρώτη φορά, τη σημαία της Βενετικής Δημοκρατίας.
Την επόμενη χρονιά (1503) οι Ενετοί ξεκινούν εργασίες ενίσχυσης του φρουρίου, καθώς το τέλος της Φραγκοκρατίας στη Λευκάδα ταυτίζεται χρονικά με την σταδιακή εδραίωση της πυρίτιδας και την εκτεταμένη χρήση πυροβόλων όπλων στην Ευρώπη, καθιστώντας αναγκαία την προσαρμογή των οχυρώσεων στα νέα αμυντικά δεδομένα. Ειδικότερα οι κυριότερες εργασίες, που πραγματοποιούνται σε αυτό το σύντομο διάστημα, είναι η κατασκευή στα ΝΑ νέου προμαχώνα με στοά (casamatta), καθώς και η θεμελίωση του βόρειου προμαχώνα (του Παντοκράτορα).