ג'יימס הרביעי החזיק בחצר רנסאנס מלאה, אשר כללה גם אלכימאים, וביקש להקים בסטירליג ארמון בסטנדרטים אירופאיים. ג'יימס הרביעי פיקח על בניית מגורים מלכותיים גם באדינבורו, פוקלנד ולינלית'גו, אך היקף העבודות בסטירלינג היה הנרחב ביותר וכלל את מבנה המגורים הישן ששימש את המלך, האולם הגדול והביצורים. בנוסף שיפץ ג'יימס הרביעי את הקפלה המלכותית, אחת מתוך שתי כנסיות שהיו בטירה באותו הזמן, וב-1501 קיבל את אישור האפיפיור אלכסנדר השישי להקים במקום מוסד ללימוד כמרים. הביצורים, מהם נותרו בימינו שרידים מעטים, הושפעו מארכיטקטורה צבאית צרפתית, אם כי פרטים רבים נוספו למטרות עיצוב ולא להגנה. בהנחה שתיעוד סאטירי בשתי פואמות מאת ויליאם דאנבר מבוססות על עובדות, שימשו חומות הטירה כאתר ממנו בוצע ניסיון בתעופת האדם, בסביבות שנת 1509, על ידי האלכימאי וראש המנזר האיטלקי ג'ון דאמיאן. בחצרו של ג'יימס שהה גם אלכימאי בשם קאלדוול, אשר תחזק בטירה אח שנועדה לחיפוש אחר "היסוד החמישי" (Quinta essencia) המיתי.
העבודה על מבני הטירה לא הסתיימה עד למותו של ג'יימס הרביעי בקרב פלודן. יורשו, ג'יימס החמישי, הוכתר בקפלה המלכותית וגדל בטירה תחת השגחתו של ג'ון ארסקין. ב-1515 הגיע העוצר ג'ון סטיוארט, דוכס אולבני, עם 7,000 איש וצר על הטירה, במטרה להעביר לחזקתו את המלך הצעיר מידי אמו, מרגרט טיודור. ג'יימס החמישי המשיך את מפעלו של אביו בסטירלינג והקים את חלקו המרכזי של הארמון המלכותי, פרי עבודתו של סר ג'יימס המילטון מפינהארט. גם ג'יימס החמישי מת בגיל צעיר, והותיר את העבודה הבלתי גמורה לאלמנתו, מארי דה גיז. ביתו התינוקת, מרי, הובאה לסטירלינג למען ביטחונה והוכתרה בקפלה המלכותית ב-9 בספטמבר 1543 וגדלה גם היא במקום, בטרם הועברה למנזר אינצ'מהאום (Inchmahome Priory) ומשם לצרפת ב-1548. במהלך העשור של 1550 בתקופת העוצרות של מארי דה גיז, גברה העוינות בין צרפת לאנגליה, אשר באה לידי ביטוי גם על אדמת סקוטלנד. כתוצאה מכך נבנו ביצורים להצבת ארטילריה במבואותיה הדרומיים של הטירה, ובכלל זה "הדורבן הצרפתי", שהפכו לבסיס להגנות החיצוניות הנראות בימינו
, וגיז העסיקה בטירה מהנדס צבאי איטלקי בשם לורנצו פומארלי.
מרי שבה לסקוטלנד ב-1561 וביקרה בטירה לעיתים קרובות. מרי טיפלה בהנרי סטיוארט, לורד דרנלי, בטירה במהלך מחלתו ב-1565, והשניים נישאו במהרה. בנם, ג'יימס השישי, הוטבל בטירה בשנה שלאחר מכן, ובמקום נערכו חגיגות שכללו זיקוקין די-נור. דרנלי כבר היה מסוכסך עם המלכה בתקופה זו ולא השתתף בחגיגות, אם כי עדיין התגורר בטירה. רוזן מאר, האפוטרופוס של ג'יימס, הפך למושל הטירה ב-1566. מרי הייתה בדרכה מסטירלינג כאשר נחטפה על ידי רוזן בוט'וול, מהלך אשר גרם לשרשרת אירועים שאילץ אותה לבסוף לוותר על השלטון ולהימלט לאנגליה.
המלך הצעיר ג'יימס השישי הוכתר בכנסיית הולי רוד הסמוכה וגדל בתוך הטירה בהשגחתה של אנאבל מוריי, דוכסית מאר ובהדרכתו של המלומד ההומניסט ג'ורג' בוכאנן (George Buchanan). לעיתים קרובות שימש המלך הצעיר כלי משחק במסגרת המאבקים בין העוצרים השונים לתומכיה של מרי ונשמר בקפידה. סטירלינג הפכה לבסיס עבור תומכיו של ג'יימס, בזמן שהאצילים שהעדיפו את החזרתה של מרי לשלטון התכנסו באדינבורו, בהנהגתו של ויליאם קירקלדי. קירקלדי הוביל פשיטה על הטירה ב-1571 במטרה לעצור את אויבי המלכה, אך נכשל בכיבושה ובלכידתו של המלך.
שומר הטירה, אלכסנדר ארקסקין מגוגאר, סולק ממנה על ידי תומכיו של העוצר מורטון באפריל 1578 לאחר שבנו נפצע אנושות במהלך מאבק בבית השער. הרוזנים המורדים מאר ואנגוס השתלטו על הטירה ב-1584, אך נכנעו ונמלטו ממנה לאנגליה לאחר שהמלך קרב אליה בראש צבא. הם שבו לסקוטלנד לאחר כשנה, כבשו את סטירלינג ואילצו את המלך להיכנע ולהשיב להם את אחוזותיהם, אם כי בסופו של דבר נשבעו לו אמונים.
בדצמבר 1593 החליטה אן, נסיכת דנמרק, להגיע אל הטירה על מנת ללדת בה את ילדה הראשון, וג'יימס הורה על שיפוץ מקיף של הארמון שהיה הרוס למחצה
. הנסיך הנרי נולד בסטירלינג ב-1594 והקפלה המלכותית הנוכחית שבטירה נבנתה לכבוד טקס הטבלתו ב-30 באוגוסט של אותה שנה. הקפלה, שנבנתה ככל הנראה על ידי ויליאם שאו (William Schaw), היוותה את הצלע הרביעית של החצר הפנימית המרובעת. בדומה לקודמיו, בילה גם הנרי את ילדותו בטירה תחת השגחתו של רוזן מאר השני, עד שאיחוד הכתרים ב-1603 הפך את אביו למלך אנגליה והמשפחה המלכותית עזבה ללונדון.
מצודה צבאית.
לאחר עזיבת המשפחה, ירד מעמדה של טירת סטירלינג כמושב מלכותי, והיא הפכה למרכז צבאי. הטירה שימשה כבית סוהר לבעלי מעמד גבוה במהלך המאה ה-17 ורק מונרכים מעטים ביקרו בה. ג'יימס הראשון, מלך אנגליה ביקר בסקוטלנד ב-1617, ושהה בטירה במהלך יולי. ב-1625 בוצעו עבודות בטירה בהם שיפוץ הגנים והקפלה המלכותית לקראת בואו הצפוי של המלך החדש, צ'ארלס הראשון, אשר הגיע לסקוטלנד רק ב-1633 ושהה בטירה לזמן קצר בלבד.
לאחר הוצאתו להורג של צ'ארלס הראשון הכתירו הסקוטים את יורשו, צ'ארלס השני בשנת 1650, שהיה למונרך האחרון שהתגורר בטירה. באותה שנה הובסו הכוחות המלוכנים על ידי צבאו של אוליבר קרומוול בקרב דאנבר, והמלך צעד דרומה לתוך אנגליה והובס בקרב ווסטר, אשר סיים את מלחמת האזרחים האנגלית. גנרל ג'ורג' מונק הטיל מצור על סטירלינג החל מה-6 באוגוסט 1651, והקים במות עליהן הציב תותחים בחצר הכנסייה השכנה. לאחר שחיל המצב של הטירה התמרד, נכנע מפקדה, הקולונל ויליאם קנינגהאם, ב-14 באוגוסט. את הנזק שנגרם במהלך המצור ניתן עדיין לראות בימינו בכנסייה ובאולם המרכזי.
לאחר הרסטורציה שהשיבה לשלטון את צ'ארלס השני, הושב הרוזן ממאר לתפקידו כמושל, ולעיתים קרובות נעשה בטירה שימוש כבית כלא עבור קובננטרים (תנועה פרסביטריאנית סקוטית). ג'יימס, דוכס אולבני (ולימים ג'יימס השני מלך אנגליה וג'יימס השביעי מלך סקוטלנד) ביקר בטירה ב-1681. בתקופה זו עלתה חשיבותה של סטירלינג כמעוז צבאי, בגני הטירה נבנה מחסן לאבק שרפה והוצב בה חיל מצב קבוע החל מ-1685. עם עלייתו לכס המלוכה של ג'ורג' הראשון ב-1714, הודח ג'ון אירסקין, רוזן מאר השישי מתפקידו כמושל, כמו גם ממינויו למזכיר לענייני סקוטלנד. בתגובה, הניף מאר את דגלו של ג'יימס סטיוארט במהלך המרד היעקוביטי של 1715. כוחות הממשלה, בפיקודו של דוכס ארגייל, נעו במהירות כדי לתפוס את הטירה ולאחר מכן התקדמו לעבר שריפמור (Sheriffmuir) כדי לחסום את נתיב נסיגתו של מאר. קרב שריפמויר הסתיים ללא הכרעה, אך למעשה הגיעה ההתקוממות לסיומה. במהלך המרד היעקוביטי של 1745 הוביל צ'ארלס אדוארד סטיוארט את צבא אנשי ההיילנדס שלו דרך סטירלינג לעבר אדינבורו. בעקבות הנסיגה מאנגליה, שבו היעקוביטים לסטירלינג בינואר 1746. העיירה נכנעה במהירות אך מושל הטירה סירב להיכנע והיעקוביטים הקימו עמדות לכלי ארטילריה בגבעת גוואן הסמוכה, אך אלה הושמדו במהירות על ידי התותחים שהוצבו בטירה. על אף ניצחונם בפאלקירק נסוגו היעקוביטים ב-1 בפברואר.
משנת 1800 עברה הטירה לאחריות משרד המלחמה ושימשה למגורי חיילים. שינויים רבים בוצעו במבנים השונים, כאשר ההיכל המרכזי הוסב למבנה מגורים, הקפלה המלכותית הוסבה לאולם הרצאות וחדר אוכל, מבנה המלך הישן הוסב למרפאה והארמון המלכותי הפך לחדר אוכל לקצינים. מספר מבנים חדשים הוקמו, ובכלל זה בית הכלא והמחסן לאבק שרפה ב-1810. המלכה ויקטוריה ביקרה בטירה ב-1842, והנסיך מוויילס ב-1859.
ב-1873, במסגרת רפורמות קרדוול, הוקמה מערכת חדשה של אזורי גיוס המבוססת על המחוזות השונים, וסטירלינג הפכה למפקדה ולנקודת הגיוס והאימון של הרגימנטים ה-72 וה-91. בעקבות רפורמות צ'ילדרס ב-1881 התמזגו רגימנט הרגלים ההיילנדרים ה-91 מארגייל עם רגימנט הרגלים ההיילנדרים ה-93 מסת'רלנד והפכו לרגמינט הארגייל וסת'רלנד היילנדרים ובסיסו נקבע בסטירלינג. בשנת 2006 נסגר הרגימנט והפך לגדוד החמישי של הרגימנט המלכותי של סקוטלנד החדש שהוקם (יחד עם כל שאר הרגימנטים הרגליים בסקוטלנד).
המאה ה-20 ואילך.
בימינו הושבו למגורים המלכותיים מעט מתפארתם הישנה. מיזם גדול למחקר ולשחזור, שארך 10 שנים ועלותו כ-12 מיליון פאונד, הושלם בקיץ 2011. מאז ינואר 2002 פעלו אורגים מטעם וסט דין קולג' על יצירה מחדש של שטיחי הקיר של "ציד החד-קרן", וארבעה מהם תלויים בימינו בחדר קבלת הפנים של המלכה ששוחזר בארמון המלכותי. היסטוריונים החוקרים את תקופת שלטונו של ג'יימס החמישי מעריכים שסדרה דומה של שטיחי הקיר היו חלק מהאוסף המלכותי.
קבוצה של אורגים ביקרה בקלויסטרס, חלק ממוזיאון המטרופוליטן לאמנות שבניו יורק, על מנת לבחון את שטיחי הקיר המקוריים מהמאה ה-15 המוצגים בו, וחקרו את טכניקות האריגה, לוחות הצבעים והחומרים. האורגים עבדו בווסט דין קולג' שבמערב סאסקס וגם בסדנה שהוקמה בטירת סטירלינג. המיזם הסתיים ב-2015.
טירת סטירלינג נותרה מפקדת רגימנט ההיילנדרים מארגייל וסת'רלנד, אם כי הפלוגה היחידה שנותרה במסגרתו מוצבת באדינבורו מאז שנת 2014. המוזיאון לתולדות הרגימנט שוכן גם הוא בתחומי הטירה.
מבנה.
ביצורים חיצוניים.