Vallisaaren linnoittamisen laiminlyönti kostautui vuonna 1808, kun Ruotsi ja Venäjä olivat ajautuneet sotaan ja venäläiset piirittivät Viaporia. Venäläiset sijoittivat Vallisaareen kymmenittäin tykkejä – pystyihän saaren korkeilta kukkuloilta ampumaan suoraan Viaporiin. Viapori antautui pian venäläisjoukoille. Ruotsi menetti Suomen, ja Suomesta tuli itsehallinnollinen osa Venäjän keisarikuntaa.

Vallisaarta kutsuttiin nyt keisarin kunniaksi Aleksanterinsaareksi. Koitti linnoittamisen kukoistuskausi. Viapori oli tärkeä osa keisarikunnan pääkaupungin, Pietarin, puolustusta. Venäläiset alkoivat suunnitella myös Vallisaaren kehittämistä. Vasta vuonna 1853 alkanut Krimin sota Venäjän sekä Osmanivaltakunnan, Britannian, Ranskan ja Sardinian muodostaman liittouman välillä kuitenkin sai rakennustyöt toden teolla käyntiin. Valli- ja Kuninkaansaariin rakennettiin pattereita eli tykistön ampumapaikkoja.

Vuonna 1854 englantilais–ranskalainen sotalaivasto purjehti Itämerelle. Helsingin ja Viaporin varustelu kiihtyi entisestään. Elokuussa 1855 liittoutuneet purjehtivat Viaporin edustalle ja pommittivat linnoitusta. Meri Vallisaaren edustalla peittyi tuleen ja savuun, ja Viapori kärsi laajoja tuhoja.

Pian sodan jälkeen Vallisaareen rakennettiin uljas Aleksanterinpatteri osoitukseksi Venäjän sotilasmahdista. Venäjän ulkopolitiikan muutokset ja aseteknologian vauhdikas kehitys näkyivät pian Aleksanterinpatterilla. Alun perin sen tykit olivat kasemateissa eli osumakestävissä katetuissa rakenteissa. Ne siirrettiin kuitenkin jo 1870-luvun alussa vallin laelle. Kasematit muurattiin miehistö- ja varastotiloiksi, ja tiiliseinät verhottiin paksuilla hiekkavalleilla.

Vuonna 1906 Venäjän vallankumouksen ensimainingit saavuttivat Helsingin saariston. Kapinalliset valtasivat Valli- ja Kuninkaansaaret. He tulittivat Kuninkaansaaresta menestyksekkäästi Viaporia. Kuninkaansaaren ruutivaraston räjähdys ja Venäjän laivaston tulitus käänsivät kapinallisten voitokkaan tilanteen kuitenkin pakokauhuksi ja tappioksi. Yhteenotossa menehtyi kymmeniä ihmisiä, osa teloittamalla kahakan jälkeen.

Vallisaaren luotseille puolestaan valmistui vuonna 1878 Luotsitalo, jonne heidät määrättiin muuttamaan. Vuonna 1910 luotsien uudeksi asuinpaikaksi määrättiin Hylkysaari, mutta tilanpuutteen takia heitä jäi myös Vallisaareen. Viimeiset luotsit muuttivat pois Vallisaaresta vasta 1920-luvun alussa.

Ensimmäisen maailmansodan alla Vallisaaren pattereita modernisoitiin betonisiksi ja saaren keskelle rakennettiin ruutikellari. Maailmansodan aikana valmistui upseeriston tiilinen kasarmi sekä joukko varastorakennuksia. Valli- ja Kuninkaansaarien merkitys Venäjän meripuolustukselle alkoi kuitenkin olla ohi. Puolustuksen painopiste siirtyi merelle: venäläiset alkoivat linnoittaa Helsingin ulkosaaristoa, kuten Isosaarta, Kuivasaarta, Harmajaa ja Rysäkaria.

Veneily