De Martinsburg werd aan het einde van de 13e eeuw opgericht als uitvalsbasis voor de uitvoering van de Mainz douanerechten te waarborgen. Sinds 1292 had het aartsbisdom en de keurvorst van Mainz, met toestemming van koning Adolf van Nassau, aandelen in de Bopparder Rijksdouane veiliggesteld. Omdat de keur-van-Mainz-kasteel Lahneck op een bepaalde afstand van de Rijn op een heuvel stond, werd er direct aan de Rijn een stevig gebouw opgetrokken dat de inning van de Rijndouane moest waarborgen. Waarschijnlijk stond op deze plaats ter controle van de scheepvaart al in het midden van de 13e eeuw een versterkt gebouw dat in 1244 officieel werd vermeld.

De oudste delen van het kasteel vormen een rechthoekige woonTorén, die met twee hoektorens is voorzien, en de fundamenten van de zeshoekige hoofdtoren in het zuiden van het complex. De op deze plaats oprijzende 28 meter hoge donjon werd rond 1400 gebouwd en heeft een aansluitende trap- en uitwerptoren.

In het kader van de bouw van de stadsmuur van Oberlahnstein na 1324 werd ook de Martinsburg uitgebreid. Het vormde het zuidwestelijke hoekpunt van de stadsmuur. Naar de stad toe werd de laaggelegen burcht beveiligd met een watergracht en een stevig poort, waar vandaag de dag nog een gietijzeren uitsteeksel zichtbaar is. Uit dergelijke boven de burchtpoort uitstekende bouwelementen konden aanvallers worden overgoten met heet teer of olie. De versterking naar de stad toe was noodzakelijk omdat deze door vijanden kon worden veroverd en de burcht dan de laatste toevluchtsoord voor de Mainz ambtenaren bleef. Maar ook een opstand van de stadsbevolking tegen hun bisschoppelijke keurvorstelijke heren was niet per se uitgesloten. Als stadsburcht van het economisch opkomende Oberlahnstein huisvestte het de douaneschrijver en het douanepersoneel, de portier en torenwachters, evenals ander ondersteunend personeel.

De waterschans werd nooit vernietigd, maar veranderde tot het einde van haar lidmaatschap van Kurmainz in het jaar 1803 door aan- en uitbouwen. Zo werd al in de 14e eeuw de noordwestvleugel toegevoegd, waarop in 1497 de huidige zuidoostvleugel volgde. In de jaren 1719 tot 1721 werd de destijds nog bestaande, aan de Rijn gelegen opening tussen de middeleeuwse woonTorén en donjon gesloten door een drie verdiepingen tellend middengedeelte in Barokstijl.

Als gelegelijke nevenresidentie van de keurvorsten van Mainz kon kasteel Martinsburg de burcht Lahneck sinds het einde van de middeleeuwen in betekenis ver achter zich laten.