I 1578 fikk venetianerne ingeniøren Genese Bressani til å planlegge øyas befestninger. Han opprettet blokkhus på de høyeste punktene på nord- og sørsiden, foruten også en festningsmur i ring langs kysten som stengte ute enhver for fiendtlig landsgang. I 1579 la Kretas italienske guvernør, Luca Michiel, grunnsteinen for festningsverkene som ble bygd over ruinene av en akropolis fra antikken. Det er to inskripsjoner som siterer denne hendelsen, en på tverrstangen over festningens hovedport, og den andre på festningsvoll på nordsiden av festningen. I 1584 innså venetianerne at forsvarsmuren var for lett å angripe av en fiende fra høyden rett ved og besluttet å styrke forsvaret ved å bygge nye festningsverk på toppen av høyden. Venetiansk ildgivning ville ha større rekkevidde og gjøre Spinalonga til en uinntakelig sjøfestning, en av de viktigste i Middelhavet.