[9]​ A principios de los años 1840 el Heroico Colegio Militar estableció su sede en el castillo,[7]​ período durante el cual se construyó el torreón «Caballero Alto».

[10]​ Miguel Miramón lo utilizó por primera vez como residencia presidencial a finales de los años 1850,[7]​ hasta la segunda intervención francesa en México.

[9]​ Tras la restauración de la república, varios presidentes continuaron usándolo como residencia gubernamental, entre los cuales se encuentran Sebastián Lerdo de Tejada, Porfirio Díaz, Francisco I. Madero, Venustiano Carranza y Plutarco Elías Calles.

[6]​ El edificio permaneció abandonado y «muy deteriorado» hasta 1833,[23]​ cuando quedó establecido como sede del Heroico Colegio Militar, cuya inauguración se llevó a cabo en 1843.

[24]​ Durante este período se construyó el torreón denominado «Caballero Alto» que le confirió al sitio un aspecto de fortaleza y que habría de influir en su clasificación como castillo.

[26]​ Un total de 832 soldados y cadetes custodiaban el castillo bajo el mando del general Nicolás Bravo.

[7]​ En este período se construyeron nuevas habitaciones en el segundo piso del alcázar y la balaustrada sur.

[7]​[22]​ Esta decisión trajo como consecuencia una nueva etapa de remodelación del edificio en la que contribuyeron Julius Hofmann, Carl Gangolf Kaiser, Carlos Schaffer, Ramón Rodríguez Arangoiti y Eleuterio Méndez.

Adicionalmente ese mismo año, en la oficina telegráfica del torreón, Díaz realizó la primera transmisión telefónica experimental en México.

[8]​[15]​ El observatorio operó durante cinco años en el castillo hasta su traslado a Tacubaya,[7]​ y el 8 de junio de 1883 el Colegio Militar regresó por cuarta y última ocasión al recinto, cuya estancia se extendió hasta 1914.

[23]​ Cabe señalar que el Colegio Militar quedó instalado en una nueva sección poniente del palacio.

[39]​ Por instrucción de Venustiano Carranza para que «el Alcázar fuese más visible», en 1916 se demolió el edificio al suroeste del Colegio Militar.

[29]​ A su vez, Álvaro Obregón contrató a Rivas Mercado para que diseñara la fachada del Ministerio de Fomento que habría de instalarse en el área ocupada previamente por el Colegio Militar en el palacio.

[7]​ Cabe resaltar que Obregón habitó el castillo desde su nombramiento como secretario de guerra y marina por Carranza, y a finales de ese mismo año nació su hijo Álvaro Obregón Tapia en las instalaciones del palacio.

[7]​ Para este fin, se habían llevado a cabo ciertas adecuaciones al recinto desde 1941.

[8]​ Cabe resaltar que, hasta entonces, un total de catorce mandatarios habían habitado el palacio desde el Segundo Imperio.

En su inauguración estuvieron presentes Manuel Ávila Camacho, Soledad Orozco y Jaime Torres Bodet, entre otras figuras políticas.

[17]​ Sus instalaciones son usadas también para la realización de programas académicos, conferencias, conciertos, visitas guiadas y proyecciones cinematográficas.

[4]​ En total, contiene 34 salas de exposiciones tanto permanentes como temporales en las cuales se recrean acontecimientos históricos del país.

[4]​ Desde una percepción museográfica, el alcázar tiene como propósito conservar «el sentido residencial que le otorgaron los gobernantes: sus recámaras y salones recrean ambientaciones de época que remiten a la vida cotidiana de quienes aquí vivieron»,[15]​ razón por la que su distribución de mobiliario obedece a una «en donde la colección no corriera riesgo alguno y a su vez permitiera la libre circulación del visitante».

[9]​[14]​ La decoración interior estuvo a cargo del pintor mexicano Santiago Rebull, y entre sus contribuciones al proyecto están las pinturas de las Bacantes y los frescos pompeyanos, así como los artesonados en los techos del castillo.

[9]​ Los arcos centrales poseen mascarones en relieve de conquistadores como Alejandro Magno, Julio César, Napoleón Bonaparte y Federico II el Grande.

[9]​ Si bien el acceso principal al castillo es a través de un pórtico de pilastras que soportan el balcón central, existe una entrada alternativa en los jardines del alcázar inferior aunque su acceso está restringido al público en general.

Está fabricada con mármol blanco y sus pasamanos están fabricados con latón,[14]​ mientras que sus esculturas de leones constituyen una réplica de las que se encuentran en el mausoleo del papa Clemente XIII.

[64]​ Cabe agregar que al subir las escaleras se encuentran unos vitrales con el escudo nacional.

[15]​ En su interior se incluyen esculturas de faunos y bacantes realizadas por Claude Michel.

[14]​[78]​ Cabe señalar que las terrazas poseen un diseño arquitectónico clásico a base de hierro colado con detalles románticos.

[4]​ Históricamente, los mandatarios tenían sus habitaciones particulares en este piso, lo cual llevó a la creación de la escalera interior o «púrpura» en los años 1880 para facilitar el traslado hacia el área de recepción y el comedor en el recinto inferior.

Su modificación más notable ocurrió en 1877 durante las obras de adaptación para el observatorio astronómico, cuando se le instaló una cúpula de metal y vidrio que perduró hasta principios del siglo XX.

Su vitral muestra las versiones personificadas de las diosas romanas Pomona, Flora, Hebe y Ceres.