En 1848, la Révolution de février entraîne une suspension des travaux de restauration. Alors que les principales résidences de Louis-Philippe, dont les Tuileries ou le Palais-Royal, sont saccagées par les révolutionnaires, le château de Pau est épargné, et repris par l'administration de l'Enregistrement et des Domaines dès le . Le château de Pau devient alors la prison de l'émir Abd El-Kader du au . Le coup d'État du 2 décembre 1851 et le plébiscite l'année suivante installent au pouvoir Louis-Napoléon Bonaparte sous le titre de Napoléon III. Ce dernier redonne vie à l'ancienne liste civile et décide une reprise officielle des travaux au château de Pau en 1853. Les architectes Alexis Paccard, Jacques-Martin Tétaz, Louis-Auguste Couvrechef, Gabriel-Auguste Ancelet et Auguste Lafollye se succèdent alors au chevet du château jusqu'aux années 1870. Les travaux concernent essentiellement l'extérieur du château avec une reprise des façades et des lucarnes, une restauration des portes et fenêtres, et surtout la destruction de l'aile est pour son remplacement par un portique à trois arcades. Ce dernier élément est l'œuvre de l'architecte Ancelet, tandis que les deux médaillons « H » et « M » sont commandés en 1861 au sculpteur Charles-Martial Baury par le comte Émilien de Nieuwerkerke. À la même époque sont construits les bâtiments reliant le portique à la tour Montaüser, dont la tour Napoléon III à l'angle nord-est. L'empereur Napoléon III visite plusieurs fois le château, le ainsi qu'en 1863 et 1868, son épouse Eugénie également lors de ses multiples cures thermales dans le Sud-Ouest de la France. Du au , la reine Isabelle II d'Espagne séjourne au château.