Auf den alten Ruinen errichteten die Venezianer ab dem späten 16. Jahrhundert eine mächtige Festung. Aufgrund der Eroberung Zyperns durch die Osmanen wurde 1571 vom Venezianischen Senat ein umfangreiches Festungsbauprogramm auf Kreta verabschiedet. Auch der Hafen von Spinalonga sollte durch den Bau einer Festung auf der gleichnamigen Insel vor Angriffen geschützt werden, um den Export von Salz aus den dort angelegten Salinen zu sichern. Die ersten Arbeiten wurden 1578 aufgenommen, als die Planung und Ausführung des Festungsbaus dem Militäringenieur Genese Bressani übertragen wurde. Sein Entwurf enthielt den Bau einer Ringmauer entlang der Küstenlinie und eines Platzes auf dem höchsten Punkt der Insel, der als Artilleriestellung dienen sollte, sowie weiterer Bauten, die aus finanziellen Gründen anfänglich nicht umgesetzt wurden. Der Bau der Ringmauer wurde zwischen 1579 und 1583 von lokalen Arbeitern ausgeführt. In der ersten Bauphase wurde drei Halbbastionen und die Moceniga Demi-lune im Süden sowie die Michiel Demi-Lune an der Nordspitze erstellt. 1584 realisierte der Ingenieur und Militärkommandant Kretas Latino Orsini bei einem Besuch, dass die Insel leicht von den im Süden gelegenen Anhöhen der Spinalonga-Halbinsel angegriffen werden konnte. Er ließ daraufhin zwischen 1585 und 1586 den felsigen Hügelkamm der Insel mit einer Mauer befestigen und verband diese über Traversmauern im Nordosten und Südwesten mit der Ringmauer.