לאחר שבועיים של חילופי אש בין המחנות הייתה ידם של הצלבנים על העליונה. המוסלמים, ששהו בשטח הפתוח, סבלו רבות מהאש שהמטירו עליהם מגיני המצודה, וכאשר שמע אל מועט'ם כי האבירים הנוצרים הזעיקו תגבורת מביירות, החליט להסיר את המצור, לא לפני שהעלה באש את השטחים החקלאיים שמסביב למבצר.
הקמת היישוב הצלבני.
משנוכחו תושבי האזור הצלבנים בכושר עמידתו של המבצר החדש, החל מתפתח ממזרח למבצר יישוב צלבני קטן, בין חומות המבצר לחומה החיצונית המרוחקת. התושבים החדשים, שהתקבצו מכל קצוות הממלכה הצלבנית, ראו את עצמם מוגנים אף על פי שישבו מחוץ לחומות, וזאת משום שבעת צרה יכלו להיכנס אל תחומי המבצר ולבקש שם הגנה מפני כל תוקף אפשרי. עד מהרה התפתח היישוב החדש לכדי עיירה קטנה, אשר תושביה עסקו במגוון מקצועות. מקורות המים הרבים בסביבה הקרובה איפשרו את קיומה של חקלאות מפותחת שכללה גידול דגנים, מטעים, כרמים וביעור יערות לצורך הכנת פחמי עץ. הים הקרוב למקום סיפק אפשרויות דייג ותעשיית מלח, והמבצר המתנשא מעל היה אבן שואבת לסחורות ולאספקה אשר נוצרה ונאספה בעיירה.
בחפירות ארכאולוגיות שנערכו ממזרח למבצר, נמצא מספר רב של בתי מגורים, אורוות ואסמים, וכן שרידי כנסייה ובית קברות. בבית הקברות נתגלו 1,700 מצבות, דבר המרמז על גודלה המכובד של האוכלוסייה במקום.
ניסיון ההשתלטות של פרידריך השני.
בשנת 1228 החליט קיסר האימפריה הרומית הקדושה, פרידריך השני, לצאת למסע צלב נוסף, שישי במספר, וזאת חרף נידויו בידי האפיפיור גרגוריוס התשיעי. פרידריך יצא בראש צבאו מאיטליה, וכעבור מספר ימים עגנו ספינותיו בנמל עכו. כוונתו של פרידריך מעולם לא הייתה להילחם במוסלמים בכוח הזרוע, והוא אכן לא עשה כן, אולם הצליח להגיע להישגים מרשימים במישור הדיפלומטי, הבולט ביניהם - החזרתה של ירושלים לידיים נוצריות מאת השליט האיובי אל כאמל.
עם הגעתו של פרידריך לארץ ישראל פרצה בין תושביה הצלבנים מחלוקת אשר זה מכבר שיסעה את אירופה. מצד אחד היו תומכיו של הקיסר, אשר צידדו בסיפוחה של ממלכת ירושלים לאימפריה הרומית הקדושה. מהצד השני עמדו תומכי האפיפיור, ובראשם אבירי המסדרים הצבאיים האדוקים, אשר גרסו כי לנוכח נידויו של פרידריך בידי האפיפיור אין לתת לו לדרוך על אדמת הקודש של הממלכה.
באחד ממסעותיו שנערכו לקראת סוף שנת 1228, הגיע פרידריך לעתלית, והעיר המבוצרת נשאה חן בעיניו ונדמתה כמתאימה לכל צרכיו כשליט ממלכת ירושלים, וזאת בשל ביצוריה הכבדים, המוצא הנוח לים ומיעוט התושבים היחסי. בו ברגע החליט הקיסר לקחת את העיר ומצודתה לידיו, רצון שאך התחזק נוכח העובדה שהמבצר היה שייך לאויביו הטמפלרים.
הקיסר הגיע לשערי המצודה ודרש להיכנס בשעריה כשהוא מלווה בשומרי ראשו. הטמפלרים, מצידם, הסכימו לכניסתו של הקיסר, אולם כאשר שמעו את דרישתו המופרזת, סגרו אחריו את השערים והודיעוהו כי הוא יישאר אסיר במקום עד לויתורו הרשמי על הרעיון. הקיסר המבוהל שמח להשתחרר מהמצב המביך שאליו נקלע, והבטיח שלא לחמוד את המבצר בשנית. לאחר הבטחתו זו פתחו האבירים את שערי המבצר ופרידריך שב לעכו.
פרידריך השני לא היה השליט האירופי היחיד שעברו נקשר במבצר עתלית. בשנות הארבעים המאוחרות של המאה ה-13 יצא מלך צרפת לואי התשיעי במסע צלב, אשר החל בעיר דמייטה שבמצרים, משם עתיד היה להתקדם לעבר כיבוש ירושלים מדרום. על אף הצלחתו הראשונית בכיבוש דמייטה, גרמו הצפות הנילוס לעיכובו של הצבא הצרפתי בדלתה של הנילוס. החלטות אסטרטגיות שגויות ונמהרות הובילו את המלך הצרפתי עד מהרה לישיבה בכלא המצרי כאסיר מלחמה.
בשנת 1250 הצליחו תומכיו של המלך לארגן סכום כסף גדול מספיק כדי להביא לשחרורו, ומיד כאשר יצא את כלאו עלה על סיפונה של אחת מספינותיו ונמלט לעכו הצלבנית. בזמן כליאתו של לואי התשיעי נמצאה אשתו, מרגו מפרובנס, תחת משמרם של האבירים הטמפלרים במבצר עתלית, ושם גם ילדה את אחד מילדיו של המלך חודשים ספורים לאחר שובו לממלכת ירושלים.
לאחר שובו לעכו החל לואי במפעל שיפור ושיקום הביצורים בערי החוף הצלבניות, בכלל זה העניק שיפוץ מקיף גם למבצר עתלית.
נפילת הממלכה.
בשנות השישים של המאה ה-13 עלה כוח חדש במזרח התיכון. השליט הממלוכי ביברס עלה לשלטון במצרים והחל במסעות כיבוש והשמדה בארץ ישראל, כאשר הוא ממגר את כוחות המונגולים אשר פלשו לחבל הארץ זה מכבר. לאחר שהכריע את המונגולים בקרב עין ג'אלות המשיך ביברס את מסע המלחמה שלו, הפעם כנגד הצלבנים. לעתלית הגיע ביברס בשנת 1265. כוחותיו פרצו את החומה החיצונית, והשמידו כליל את העיר שלרגלי המבצר. תושבי העיר נמלטו אל בין החומות הבטוחות של המצודה, ומאוחר יותר נפוצו ברחבי הממלכה מחוסרי כל. ההרס הרב שזרעו חייליו של ביברס בעיר ניכר עד היום בשרידיה.
בדומה למנהגו בעת כיבוש מבצרי צלבנים אחרים, זנח ביברס את המצור שהטיל על עתלית לאחר שנוכח כי הכרעת הנצורים במבצר תארך זמן רב. לאחר הסרת המצור המשיכו הכוחות הממלוכים במסע הכיבושים בקרב הערים הצלבניות כשהם מחריבים אותן בזו אחר זו.
בשנת 1283 נחתם הסכם בין הצלבנים לממלוכים, לפיו לא יתקפו הממלוכים את המבצר, וזאת בתמורה למחצית מההכנסה השנתית של המבצר והנחלות הצמודות אליו. הסכם זה הבטיח את הגנת המבצר בעתיד, והוא אכן לא הותקף יותר מעולם על ידי הכוחות המוסלמים.
ב 28 מאי 1291 נפלה הבירה עכו, ומבצר עתלית נשאר המעוז הצלבני האחרון בממלכת ירושלים כולה. לאחר נפילתה של עכו לא שבו הממלוכים לעתלית, אולם האבירים שאיישו את המבצר באותה תקופה היטיבו להבין כי ממלכת ירושלים הגיעה אל קיצה והחלו נוטשים את המבצר בדרך הים אל עבר קפריסין.
בליל ה-14 באוגוסט 1291, עזבה את המעגן המבוצר בעתלית ספינה ועליה אחרוני האבירים הטמפלרים, אחרוני הצלבנים בארץ ישראל. אולם בניגוד למצופה, נטישתו של המבצר לא הביאה לכיבושו המיידי בידי המוסלמים. רק שישה שבועות לאחר בריחתם של אחרוני הצלבנים הבחינו המוסלמים, שלא שהו בקרבת מקום, כי המבצר ננטש. לאחר גילוי זה הגיע למקום כוח צבאי גדול אשר הרס את שערי המבצר ומוטט את מגדליו.
המבצר לאחר תום שלטון הצלבנים.
עם החלתו המלאה של השלטון הממלוכי בארץ ישראל הפכה עתלית לבירת מחוז ("עַמְל") באימפריה הממלוכית. חומותיה החיצוניות שוקמו באופן חלקי, והיא יושבה בידי מוסלמים. המבצר המגן על העיר לא שוקם והוא נשאר בעזבונו בתקופה זו. לקראת תום התקופה הממלוכית הלך המקום וננטש, ובעת הכיבוש העות'מאני כבר היה נטוש לחלוטין.
בקרב השליטים העות'מאנים התפתח מנהג לפיו שימשו אבני המבצר לבניית ערים וביצורים לאורך חופי ארץ ישראל. מושלי עכו ג'זאר פאשה, סולימאן פאשה ואבראהים פאשא שינעו את אבניו הגדולות של המבצר למפעלי הבניין שלהם בעכו וחיפה, ובדרך הים שלחו אותן עד לביירות.
פירוק אבני המבצר לצורכי בנייה נמשך עד לסופה של המאה ה-19. בשנות השמונים של מאה זו מכר השליט הטורקי של חיפה 50,000 אבנים ממבצר עתלית לעמיתו מושל יפו, לטובת בניית המזח ובניין המכס בפתח הנמל.
בשנת 1882 ביקר במבצר הסופר והדיפלומט הבריטי לורנס אוליפנט. ברשימותיו, תיאר אוליפנט בהרחבה את המבצר עצמו, כמו גם את מיעוט המבקרים בו ואת הרושם שהמקום הותיר עליו:
מלבד הנזק הנגרם בידי אדם, סבל המבצר גם מפגעי מזג האוויר והזמן. קרבתו לאוויר הים הלח והמלוח, יחד עם רעידת אדמה גדולה שהתרחשה בשנת 1837 והביאה נזק רב למבנים, הותירו אותו במצב רעוע ועלוב. במקום לא נערכו עבודות שיקום, ולאחר הקמתו של בסיס חיל הים (בסיס עתלית) בתחומי עתלית העתיקה נסגר המקום למבקרים, כמו גם בפני מרבית משלחות השיקום והמחקר.
כינוייו של המבצר.
לפני הקמת המבצר כונה אזור עתלית בפי הצלבנים בשם "דיסטריקטום" (Districtum) שמשמעו - "המעבר הצר". שם זה ניתן לאזור בשל אופיו הטופוגרפי: מזרחית לרכסי הכורכר יצרו המים הזורמים בנחל אורן ביצות אשר הפכו את המעבר במקום לבלתי אפשרי. ממערב שכן הים על חולותיו הבלתי עבירים, ואילו התנועה לאורך מישור החוף הוכרחה לעבור במעבר הצר שבין הביצות לים. מעבר זה היה נתון תחת הסכנה של התקפות שודדים או פורעים, והתקפות אלו היו הגורם שהביא להקמתו של מבצר דטרוא הצלבני במקום, מבצר שמאוחר יותר שולב במערכת ההגנה של מבצר עתלית.
בתיאור המפורט שנותן ההיסטוריון אוליבר מפדרבורן בקובץ כתביו "ההיסטוריה של דמייטה" לגבי אופן בנייתו של המבצר הוא מכנה אותו לאחר שנשלמה מלאכת הבניה בשם "קסטלום פרגרינרום" (Castellum Peregrinorum) מלטינית - מבצר עולי הרגל. שם זה ניתן למבצר משתי סיבות: הראשונה, הירתמותם של עולי הרגל הצלבנים למלאכת בניית המבצר, והשנייה, היותו של המבצר מגן על רצועת החוף הצרה בה עברו עולי הרגל הצלבנים בדרכם מעכו לירושלים.
השפה השגורה בממלכת ירושלים של אותה התקופה הייתה צרפתית. שמו הצרפתי של המבצר, שאטו פלרן (Château Pèlerin) הוא למעשה תרגום של שמו הלטיני - טירת עולה הרגל.
במהלך ימי הביניים, כאשר היה המבצר תחת כיבוש מוסלמי, הוא נודע בספרות בשם "אלחוּצְן אלאַחְמַר" (ערבית: "המצודה האדומה"), ככל הנראה על שם הגוון החום-אדמדם של אבני הכורכר מהן הוא נבנה. בפי ההיסטוריוגרפים הערבים יאקות ואבו אל פצא כינו את המקום בשם עת'לית'. ישנה סברה לפיה מקור השם הערבי במילה הטורקית איתליק, שפירושה "אגודת אבירים" ואשר נגזר מהיות המבצר מקום מושבם של האבירים הטמפלרים.
שמו העברי של המבצר נגזר משמה של העיירה עתלית הסמוכה אליו. שמה של העיירה הוא למעשה "עברות" של השם הערבי.