İstanbul Boğazı ile Göksu (Aretas) Deresi’nin Boğaz’a karıştığı yedi dönümlük, denize doğru uzanan alanda bulunan bu kale çevreye ismini vermiştir. Anadoluhisarı, ileri bir karakol olarak Yıldırım Beyazıt tarafından 1395 yılında yaptırılmıştır. Kalenin bulunduğu alanda yapılan araştırmalarda daha eskiye yönelik kalıntılara rastlanmamıştır.
Yıldırım Beyazıt’ın bu kaleyi yaptırmasındaki amaç Boğaz geçişlerini kontrol altına almak ve Göksu Vadisi’ne girişi de önlemek idi. Nişancı Mehmet Paşa tarihinde Güzelcehisar olarak ismi geçen bu kaleye Gözlücehisar ismi de yakıştırılmıştır. Nişancı Mehmet Paşa tarihinde kalenin yapım tarihi 1394–1395 olarak belirtilmiştir. Fatih Sultan Mehmet dönemi tarihçilerinden Tursun Bey buradan Yenihisar veya Yenicehisar olarak söz etmiştir. Hoca Sadettin Efendi de buraya Akçahisar olarak değinmiştir. Aşıkpaşazâde tarihinde bu kalenin yapılışı ile ilgili bilgiler bulunmaktadır:
“Yıldırım Beyazıt, Kocaeli’nden geçerek, İstanbul’a doğru geldi (1390–91) ve Şile Kalesini alan Yahşi Bey’i gönderdi. Sultan Boğazkesen üzerinde Güzelce Hisar adlı bir şato yaptırdı.”
Yıldırım Beyazıt ile Timur arasında 1402’de yapılan Ankara Savaşı’ndan sonra kale Osmanlı yönetiminde kalmıştır. Bu dönemde Osmanlı Beyliği dağılma aşamasına geldiğinden Süleyman Çelebi Bizans’ın desteğini sağlamak amacı ile İstanbul’a yakın olan Kartal, Pendik gibi yerler Bizans’a geri verilmiş, ancak kalenin bu dönemdeki durumu bilinmemektedir. Bazı kaynaklarda Süleyman Çelebi’nin bir süre burada kaldığı da belirtilmektedir.
Fatih Sultan Mehmet Rumelihisarı’nı yaptırırken Anadoluhisarı’nın çevresini de bir Hisarpeçe ile çevirmiştir. Bu duvarın arkasına yerleştirilen toplar ile de Boğaz’dan geçen gemilere gerektiğinde ateş açılması sağlanmıştır.
İstanbul’un fethinden sonra bu kalenin işlevi bitmiş ve bir süre suçlu Yeniçeriler için hapishane olarak kullanılmıştır. XVII.-XVIII. yüzyıllarda bir süre Boğaz’a yönelik kazak akınlarının önlenmesinde kullanılmış, daha sonra Boğaz girişindeki kale ve istihkâmların yapılması ile de önemini yitirmiştir.
XVI. yüzyılda hisar ve çevresinde görevli askerlerin ve ailelerin yerleşmesi ile burası küçük bir mahalle konumuna gelmiştir. Fatih Sultan Mehmet döneminde hisarın önüne küçük bir mescit yapılmış ve burası Anadoluhisarı Mescidi Mahallesi ismi ile eski kayıtlara geçmiştir.
Evliya Çelebi burada 1080 ev, 7 mektep, 20 dükkân, namazgâh ve mescitten oluşan bir mahalle olduğunu ve Üsküdar Subaşılığı’nın kontrolünde bulunduğunu yazmıştır. Osmanlı İmparatorluğu’nun sonlarına doğru hisarın etrafı yalı ve saraylarla doldurulmuştur.
Anadoluhisarı Osmanlı mimarisinde kale mimarisine göre yapılmıştır. İlk yapımında kare planlı bir kule ve bunu çevreleyen duvarlardan meydana gelmiştir. O dönemde kalenin bulunduğu yer kayalık bir burun olduğundan denizin sur duvarlarına kadar geldiği sanılmaktadır. Göksu Deresi’nin getirdiği alüvyonlar daha sonra arazi konumunu değiştirmiş, kalenin duvarlarının çevresi dolmuş ve kale iç kısımda kalmıştır.
Anadoluhisarı dört ayrı bölümden meydana gelmiştir. Bunlar Asıl Kale (İç Kale), İç Kale duvarı, Dış Kale duvarı ve Dış Kale duvarındaki kulelerdir. Asıl Kale bazı yerlerde toprakla düzleştirilerek kayalık üzerine oturtulmuştur. Kare planlı ve oldukça yüksek bir yapıya sahiptir. Duvarların üzerindeki kirişlere ait çukurlardan kalenin üç katlı bir şato görünümünde olduğu anlaşılmaktadır. Üst örtüsünün ne şekilde olduğu tam olarak anlaşılamamıştır. Melling’in gravürleri ile Pertusier Atlası’nda kurşun örtülü sivri külahlı olduğu görülmektedir. İstanbul’a 1830 yılında gelen Thomas Allom’un gravürlerinde ise hisar çatısız olarak görülmektedir. Bu da gösteriyor ki, kalenin külahı 1830 yılından önce yıkılmıştır.
Kalenin taş blok ve tuğlalardan oluşmuş duvar kalınlığı 2–3 m. arasında değişmektedir. Buraya yapılacak muhtemel bir saldırının kuzeyden gelme olasılığı göz önünde bulundurularak bu yöndeki duvarlar daha kalın tutulmuştur. Giriş İç Kale duvarından birinci kata atılan asma bir köprü ile sağlanmıştır. Ayrıca batı duvarlarına oyulan taş merdivenlerle zemine, ahşap merdivenlerle de üst katlara geçiş sağlanmıştır. Sonraki yıllarda bu giriş değiştirilmiş, kalenin güney-batı duvarlarına yeni bir kapı açılmıştır. Kalenin üst katında mazgallar ve istihkâm siperleri bulunmaktadır. Sur duvarlarını içeriden 1,5 m. genişliğinde bir yol çepeçevre dolaşmaktadır. İç Kale duvarları 2–3 m. kalınlığında olup, kuzey-batı ve kuzey-doğu köşelerinden Asıl Kale’ye bağlanmaktadır. Ayrıca mazgallı duvarların köşelerine de dörder nöbetçi kulesi yerleştirilmiştir.
İç Kale’den sonra yapılmış olan Dış Kale duvarları tamamen kesme ve moloz taştan yapılmıştır. Duvar örgü sistemini büyük taş dizilerinin aralarına dizilen küçük taşlar oluşturmuştur. İç Kale duvarlarına göre daha ince olan Dış Kale duvarları İç Kale’ye güney-doğu ve kuzey-doğu köşelerinden bağlanmıştır. Mazgallı korkuluklarla sonuçlanan Dış Kale duvarlarının üç köşesine de silindirik, yarım yuvarlak ve at nalı biçiminde üç kule yerleştirilmiştir.
Dış Kale duvarlarında bulunan kuleler kendi aralarında at nalı, yarım yuvarlak ve silindirik olmak üzere üç tanedir. At nalı şeklindeki kulelerin çapı 4.75 m. olup, kalınlığı 2 m. dir. Büyük olasılıkla denizi kontrol altında tuttuğundan ötürü de bu duvarlara mazgallar yerleştirilmiştir. Buna benzer olan yarım yuvarlak kule 7,5 m. çapında olup, ahşap kirişlerle dört kata ayrılmıştır. Ahşap merdivenlerin birbirine bağladığı katlarda mazgal delikleri, iç kısımlarda ise dikdörtgen ve yarım daire şeklinde kapı ve pencere izleri görülmektedir. Bu kulelerin eteklerinde taş tuğla sıraları ile aralarındaki balık kılçığı biçiminde tuğla örgüler dikkati çekmektedir. Surun kuzey köşesinde kayalık tepe üzerinde bulunan mazgallı, silindirik kule ise 6 m. çapında ve üç katlıdır.
Cumhuriyetin ilanından sonra Anadoluhisarı İstanbul Belediyesi tarafından onarılmış, bu arada ortasından geçirilen Üsküdar-Beykoz karayolu kalenin bir bölümünün yıkılmasına ve özelliğini kısmen de olsa yitirmesine neden olmuştur. Bu yol yapımı sırasında çevresindeki kaleye bitişik evler kamulaştırılarak yıkılmış ve kalenin kalan kısımlarının ortaya çıkması sağlanmıştır.
Günümüzde Kültür ve Turizm Bakanlığı yönetimindeki Hisarlar Müzesi Müdürlüğü’ne bağlıdır. Bakanlık tarafından 1992–1993 yıllarında acil onarımları yapılmıştır.