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Charles Quint puis les rois d'Espagne entreprennent des travaux pour moderniser les remparts édifiés au Moyen-Âge. Ces travaux commencent en 1520 et visent à rendre les remparts plus résistants car les remparts du Moyen-Âge étaient inefficaces face aux progrès de l'artillerie et à l'usage des canons. Aire sous domination espagnole devait également se défendre contre les garnisons françaises basées à Thérouanne, Lillers et Saint-Venant.

Ce sont des architectes italiens qui sont chargés des premières rénovations. Ils ont également inventé les remparts bastionnés vers 1500 sur le modèle des remparts de Rome ou de Vérone.

A la demande de Charles Quint, le bastion de la porte de Saint-Omer est construit en 1533. Suivront la construction du bastion des Chanoines en 1541 et du bastion de la porte d'Arras en 1546. Celle du bastion Notre-Dame s'étendra de 1560 à 1570.

Entre 1550 et 1565, les rois d'Espagne commandent à Jacques de Deventer de dessiner les plans des principales villes sous domination espagnole. Le plan dit "de Devanter" donne une représentation claire des fortifications de l'époque. Ces quatre bastions en forme de polygone, attenants aux murs d'enceinte, y figurent. Ils disposent de canons. Les murs de ces nouvelles fortifications sont moins hauts et beaucoup plus épais, pour résister aux boulets de canon, et sont en brique, en pierre et en terre.

En 1610, Pierre Coeulre, dessine un nouveau plan de la ville. Deux nouveaux bastions apparaissent : "La porte de l’eau" qui se situe au niveau de la sortie est de la Lys, et la porte de Bienne, à l'ouest. Il ne reste plus qu'une seule tour d'enceinte, celle de la "Langue Salée" qui disparaîtra en 1893. Mais surtout une deuxième ligne d’ouvrages extérieurs, en forme de demi-lune derrière des fossés qu'on élargit, renforce les défenses de la cité.

C'est à ces fortifications que les forces françaises, en mai-juillet 1641, puis espagnoles, en décembre de la même année, se heurtent lors des deux sièges que connait la ville cette année-là.

En 1642, la construction du Fort-Saint-François a pour but de prémunir la ville des attaques venues de Flandres.

Malgré le Traité des Pyrénées en 1659, Aire reste sous domination espagnole. La France regagne la ville suite au siège de 1676. A cette date, "la place forte comportait huit bastions (Beaulieu, Montmorency, Saint-Omer, Porte à l'Eau, Chanoines, Thiennes, Arras, Verd), dix demi-lunes et trois ouvrages à cornes (Arras, Notre-Dame, Saint-Omer)".