Петр I называл Нотебург «изрядной и неприступной крепостью», но тем не менее решил завоевать ее, так как она предопределяла дальнейшее освобождение от шведов всей Ингерманландии. Для защиты Нотебурга у шведов находилась на Ладоге хорошо вооруженная эскадра под командованием генерала Нумерса. У Петра I в 1702 году морских сил не было, поэтому он планировал напасть на крепость зимой, не беря с собой осадной артиллерии. Но зима 1702 года стояла необычайно теплая, следовательно, пути к Нотебургу не было, и поэтому составленный план пришлось отменить.
Новое завоевание Нотебурга началось осенью 1702 года. С 1 по 11 октября крепость подвергалась непрерывному бомбардированию, кроме того, по Неве и Ладожскому озеру ее окружала целая флотилия судов и лодок. «Жестокий штурм» начался 11 октября: после 13-часового приступа гарнизон крепости понес огромные потери, и «пылкий Шлиппенбах» сдал Нотебург. При сдаче комендант, по обычаю того времени, поднес Петру I ключ от крепостных ворот, и русский царь повелел прибить его над входом в западную башню, которая впоследствии была названа Государевой. После этого решили не возобновлять старое название «Орешек», а назвать завоеванную крепость Шлиссельбург — Город ключа, так как после ее взятия истоки Невы вновь оказались русскими.
Петр I задумал разместить в Шлиссельбурге тыловую военно-административную и правительственную резиденцию. Осуществил замыслы русского царя архитектор Д. Трезини, который выстроил в крепости ансамбль деревянных домов и 40-метровый шпиль Часовой башни, изменившей силуэт укрепления. Круглые башни крепости были снижены почти до уровня стен, бойницы заложены камнями, ров цитадели засыпан. Над входной четырехугольной башней появилась надпись «Государева», а над ней — черный двуглавый орел и ключ — гербы государства и крепости. На этом боевая история крепости на время закончилась, и началась мрачная повесть превращения ее в государственную тюрьму.
С завоеванием Озерной области и возведением Петропавловской крепости военное значение Шлиссельбурга постепенно сошло на «нет», зато крепость стала идеальным местом, чтобы в ней надежно спрятать и вместе с тем держать недалеко врага или соперника. Но так как тюремных зданий в ней не было, заключенных размещали в солдатской казарме, а также в не сохранившихся до нашего времени доме Меншикова и Государевом доме.
Одно время в Шлиссельбурге находилась в заточении Евдокия Федоровна Лопухина — первая жена Петра I. Сосланная первоначально (1698) в суздальский Покровский монастырь, она была насильно подстрижена в монахини под именем инокини Елены. Но бывшая царица не хотела подчиняться монастырскому режиму, носила светское платье и называла себя прежним именем. Она находилась тогда в полном расцвете красоты и здоровья, ей было 25 лет, и она жаждала любви и власти. Когда в Суздаль по делам службы приехал генерал-майор Глебов, между ними случился роман, за который они оба поплатились. Генерал-майора предали «лютой казни» (посадили на кол), а Евдокию Федоровну сослали под строгий надзор в Ладожский монастырь. Екатерина I, вступив на престол, видела в ней опасную соперницу, и поэтому строптивую узницу перевели в Шлиссельбург, где содержали «в самом тесном заточении».
Одновременно с Евдокией Федоровной в Шлиссельбурге томилась царевна Мария Алексеевна, дочь царя Алексея Михайловича. Вся ее вина состояла в том, что она состояла в переписке с Е.Ф. Лопухиной, когда та еще находилась в суздальском заточении.
При Бироне в Государевой тюрьме пытали и казнили четвертованием князей Долгоруких, при Елизавете Петровне здесь были заточены раскольники, а потом и сам Бирон с семейством, и наконец несчастный Иоань Антонович.
Перед смертью импратрица Анна Иоанновна подписала манифест передаче престола трехмесячному Иоанну VI, на который он номинально вступил в октябре 1740 года. Когда в результате дворцового переворота к власти пришла Елизавета Петровна, Иоанн Антонович был обречен на вечную ссылку, а потом и на пожизненное заключение. Под именем Григория его увезли в далекую Архангельскую губернию, где секретно и под особым караулом держали 12 лет.
В марте 1856 года его привезли в Шлиссельбургскую крепость и заключили под именем «безымянного колодника» в особый секретный каземат. Условия его содержания определялись специальной инструкцией, и тайна, которой было окружено его заточение в Шлиссельбурге, была так велика, что даже комендант крепости не должен был знать, кто же такой этот таинственный узник. Надзор за Иоанном Антоновичем поручался трем офицерам, которым предписывалось соблюдать в строжайшей тайне все, что относилось к узнику. Под страхом смертной казни они не должны были никому говорить, «каков арестант: стар или молод, русский или иностранец» и т. д. Офицерам строжайше было запрещено отвечать на его вопросы, да и сам он не должен был знать, где находится, — «далеко ли от Петербурга или от Москвы».