Under statskuppet i 1536-1537 søkte Olav Engelbrektsson ly i festningen, der han for øvrig hadde oppbevart St. Olavs skrin og andre kostbarheter siden 1534. Olav hadde nok satset på å motta militær støtte fra de habsburgske Nederlandene, slik han hadde blitt lovet av grev Fredrik II av Pfalz. Da pfalzgreven bare sendte to skip, valgte Olav å la hærføreren sin Christoffer Trondsen ta ham og 60 mann med seg og flykte sjøveien. 1. april 1537 stevnet derfor erkebiskopen ut fjorden for siste gang, før han dro videre til Sverige og senere til Lier i Nederlandene (nå Belgia). Der døde han allerede i februar året etter. De 80 soldatene som Olav lot bli igjen på Steinvikholm i vente på unnsetning, gav opp en drøy måned etter Olavs flukt. St. Olavs skrin på Steinvikholm ble snart ødelagt av danske styrker, mens den innerste trekisten med helgenkongens legeme ble værende på borgen til 1564. Da ble den flyttet tilbake til en da offentlig kjent grav i Nidarosdomen, inntil graven ble lukket i 1568 og etter hvert glemt.