Το 1503 οι Ενετοί ανταλλάσσουν με τους Οθωμανούς τη Λευκάδα με την Κεφαλονιά και τη Ζάκυνθο. Θα περάσουν σχεδόν δύο αιώνες μέχρι να ξαναγίνουν οι Ενετοί κύριοι του κάστρου της Αγίας Μαύρας.
Αυτή την περίοδο, ο θρυλικός κουρσάρος και μετέπειτα χαρτογράφος Πιρί Ρεΐς απεικονίζει στον περίτεχνο πορτολάνο του την περιοχή του Αμβρακικού κόλπου, το Κάστρο της Αγίας Μαύρας, το νησί της Λευκάδας και τα νησάκια του εσωτερικού αρχιπελάγους του Ιονίου.
Ο Ρεϊς αναφέρει ότι από τον Δίαυλο ήταν δυνατό να περάσουν και μεγάλα πλοία, αφού μία από τις γέφυρες που ήταν κρεμαστή δίπλα στο φρούριο, σηκωνόταν με τροχαλίες. Σύμφωνα με οθωμανικό κατάστιχο τα διόδια για τη διέλευση από τη γέφυρα, που ένωνε το φρούριο της Αγίας Μαύρας με την στεριά, αποτελούσαν δημόσια πρόσοδο (μουκατάς), που ανερχόταν ετησίως σε 17 χρυσά δουκάτα.
Οι Οθωμανοί μετατρέπουν σταδιακά το φράγκικο φρούριο σε καλά οχυρωμένη ακρόπολη και συγχρόνως ενισχύουν την άμυνα του οχυρωμένου οικισμού με νέα, χαμηλότερα, επικλινή τείχη (σκάρπα), πάχους 3 μέτρων περίπου, ενώ οι προμαχώνες, ιδίως της δυτικής πλευράς, διευρύνονται.
Οι περισσότερες από τις αλλαγές που έκαναν οι Οθωμανοί, θα πρέπει να έλαβαν χώρα μεταξύ του 1565-1572, διάστημα κατά το οποίο μαρτυρούνται εκτεταμένες εργασίες για την ενίσχυση της οχύρωσης, προκειμένου να ανταποκρίνεται στα εξελισσόμενα πολεμικά μέσα.
Γεγονός είναι, ότι στα τέλη του 16ου αι. το κάστρο είχε λάβει τη βασική του μορφή, σχεδόν όπως τη διατηρεί έως σήμερα, με ακανόνιστη επτα-γωνική κάτοψη και ισχυρούς προμαχώνες στις ακμές.
Η αποτελεσματικότητα των οχυρωματικών επισκευών στο κάστρο της Αγ. Μαύρας δεν άργησε να δοκιμαστεί, καθώς λίγους μήνες μετά την ήττα του οθωμανικού στόλου στη ναυμαχία της Ναυπάκτου τo 1571, οι Βενετοί, εμψυχωμένοι από την πρόσφατη νίκη τους, αποφασίζουν να κατευθυνθούν προς τη Λευκάδα, καθώς έχουν πληροφορίες πως τα τείχη είναι σε κακή κατάσταση και το κάστρο είναι ανεπαρκώς επανδρωμένο. Έτσι στις αρχές του 1572 ο δόγης της Βενετίας Sebastiano Venier επιχείρησε να καταλάβει το κάστρο με μεγάλη δύναμη σε άνδρες, ιππικό και γαλέρες. Ωστόσο, μετά από ανιχνευτική αποστολή, διαπιστώθηκε ότι το κάστρο ήταν απόρθητο και έτσι οι Βενετοί αποφάσισαν να αποχωρήσουν.
Η σπουδαιότητα του κάστρου, κατά την περίοδο της οθωμανικής κυριαρχίας, επιβεβαιώνεται και από έναν ακόμα παράγοντα: το μέγεθος του οικισμού του.
Το 1668 ο Οθωμανός περιηγητής Εβλιγιά Τσελεμπή (Evliya Çelebi) επισκέπτεται τη Λευκάδα και στη γλαφυρή περιγραφή που παραδίδει για το κάστρο, αναφέρει ότι το παλαιό φρούριο παραμένει ως ακρόπολη, ενώ συνολικά το κάστρο έχει εννέα προμαχώνες, 1.060 οδοντωτές επάλξεις και 200 σπίτια.
Πρόκειται για μικρές πέτρινες κατοικίες με όροφο και κεραμοσκεπή στέγη, από την εποχή των Τόκκων, οι οποίες διατηρήθηκαν μέχρι την περίοδο της κατάκτησής του από τους Οθωμανούς και χρησιμοποιήθηκαν για τη διαμονή των οικογενειών των ανώτερων αξιωματούχων και των ανδρών της οθωμανικής φρουράς. Τα σπίτια αυτά ήταν κατανεμημένα σε τρείς συνοικίες, διέθεταν δικά τους οπλοστάσια, δεξαμενές νερού και αποθήκες τροφίμων, για να έχουν αυτονομία και ήταν εφοδιασμένα με τοξοθυρίδες για λόγους άμυνας σε περίπτωση πολιορκίας.
Ωστόσο, οι 200 οχυρές κατοικίες δεν ήταν αρκετές για τη στέγαση του συνόλου του πληθυσμού, που είχε αυξηθεί σημαντικά την περίοδο της οθωμανικής κατοχής, λόγω της άνθησης της τοπικής οικονομίας.
Για το λόγο αυτό, δύο νέοι συνοικισμοί οικοδομήθηκαν εξωτερικά των τειχών του κάστρου, η Χώρα ή Μπούργο στα δυτικά και η Άλλη Μεριά στα ανατολικά, στους οποίους ήταν εγκατεστημένος ο χριστιανικός πληθυσμός.
Τα σπίτια τους ήταν ευρύχωρα με κήπους, επειδή όμως βρίσκονταν σε κοντινή απόσταση από τα τείχη, έπρεπε να είναι κατασκευασμένα από ξύλο, ώστε σε μια πιθανή επίθεση να μην υπάρχει η δυνατότητα οχύρωσης σε αυτά.
Οι πειρατές του κάστρου
Από τις αρχές του 16ου έως και τα τέλη του 17ου αιώνα, το κάστρο της Αγίας Μαύρας ήταν το πιο ξακουστό άντρο πειρατών στην Αδριατική Θάλασσα όπως επισημαίνει στο βιβλίο ταξιδιών του ο οθωμανός περιηγητής Evliya Çelebi που επισκέφθηκε τη Λευκάδα το 1670. Αναφέρει ότι η συνοικία Μπούργο του κάστρου είχε πολλές ταβέρνες όπου διασκέδαζαν τα πληρώματα των πειρατικών πλοίων, σκορπώντας εκεί τα κερδισμένα λάφυρα από τις ληστρικές επιθέσεις τους.
Τα πληρώματα, από αρνησίθρησκους χριστιανούς και μουσουλμάνους ναύτες μικρασιατικής ή και βορειοαφρικανικής καταγωγής, επιστρατεύονταν από την οθωμανική διοίκηση του κάστρου για να συνδράμουν τον οθωμανικό στόλο να διατηρήσει την ευρύτερη θαλάσσια περιοχή υπό τον έλεγχο της Οθωμανικής Αυτοκρατορίας.
Ο καπετάνιος ενός πειρατικού πλοίου, που είχε τον τίτλο ¨πλοίαρχος του παλατιού¨, οριζόταν ως νόμιμος αρχηγός των υπολοίπων πειρατών της Αγίας Μαύρας. Στόχοι ήταν τα διερχόμενα βενετικά εμπορικά πλοία και τα γειτονικά βενετικά εδάφη της Κεφαλλονιάς και της Ζακύνθου.
Οι επιθέσεις αυτές προκάλεσαν την αντίδραση της Δημοκρατίας της Βενετίας, η οποία, προκειμένου να καταστείλει την πειρατική δραστηριότητα γύρω από τη Λευκάδα, έστειλε το στόλο της με επικεφαλής τον Αρχιστράτηγο Francesco Morosini. Αυτός, αφού πολιόρκησε και κατέλαβε το κάστρο το 1684, διέταξε τη θανάτωση των 600 πειρατών που βρέθηκαν στο εσωτερικό του.
“Όλοι οι ναυτικοί του νησιού φέρονται και ντύνονται όπως οι Αλγερινοί. Κάθε τόσο επιβιβάζονται σε φρεγάτες με τις οποίες επιτίθενται στα βάθη της χώρας των Φράγκων και επιστρέφουν νικητές και τροπαιούχοι με τα λάφυρά τους στην Αγία Μαύρα· με μεγάλη γενναιοδωρία σκορπίζουν τα λάφυρα του Ιερού Πολέμου και γλεντοκοπούν μέχρι να μείνουν πάμπτωχοι, οπότε και ξαναφεύγουν σε εκστρατεία. Έτσι βγάζουν τα προς το ζην.”
Evliya Çelebi – Seyahatnâme