Nel corso del XIII secolo il libero comune di Lucignano, rifiorito nei commerci e al centro della Val di Chiana, divenne appetibile da parte dei suoi potenti vicini, entrando cosi di volta in volta nell'orbita ora dello uno ora dell'altro. Giovanni Villani (ca.1276-1348), nella sua "Cronica", riferisce di come Lucignano fosse divenuto prima dominio dei Fiorentini, poi tolto loro dal Vescovo di Arezzo Guglielmo degli Ubertini, in seguito, dopo Campaldino (1289), quando i ghibellini aretini vennero sconfitti, si desse "in accomandigia" a Siena e nel 1337 a Perugia, di cui ha conservato il grifo rampante. Ad ogni modo è certo che Lucignano si resse, in vari periodi, a libero comune, pur rientrando a partire dal 1390 sotto l'influenza della Repubblica Senese. I Senesi poi per meglio tenere il comune iniziarono a fortificare il paese, a loro si deve la rocca, con la torre fatta costruire a Bartolo de' Bartoli, detta "delle monache", il castello con il cassero. In questo periodo sorse anche una curiosa guerricciola, che si protrasse sino a tutto il 1400, tra gli abitanti di Lucignano, partigiani dei senesi e quelli di Foiano, partigiani dei Fiorentini, a causa della steccaia del fiume Esse, elevata dai Foianesi e regolarmente abbattuta dai Lucignanesi, per gli allagamenti che provocava.

L'importanza strategica di Lucignano poi aumentò notevolmente a partire dagli inizi del XVI secolo. Con l'affermarsi delle Signorie, Firenze, nonostante le lotte civili e le congiure di palazzo, aveva assunto un ruolo primario rispetto alle altre città della Toscana, approfittando anche degli sconvolgimenti politici portati dalle lotte tra francesi e imperiali-spagnoli per la supremazia nella penisola. Nel 1530 Lucignano fu occupato e messo a sacco dalle truppe imperiali agli ordini del generale Don Ferrante di Gonzaga. Fu soltanto, però, nel 1531, con la nomina di Alessandro dei Medici a Primo Duca di Firenze, da parte di Carlo V, che si assiste al tentativo di formazione di un Principato. Ma il vero artefice dell'unificazione toscana fu Cosimo I (1519 - 1574) il figlio di Giovanni, detto dalle Bande Nere, che fatto duca nel 1537 s'inserì abilmente nelle trame internazionali. Dopo aver piegato le ultime velleità repubblicane dei fuoriusciti fiorentini a Montemurlo nel 1538, non gli restava che abbattere la ormai stanca Repubblica di Siena, per legittimare l'estensione del suo Ducato a gran parte della Toscana. Nel 1552 comincia la guerra, tra Firenze e Siena in cui troviamo i Fiorentini schierati con gli spagnoli e i senesi con i francesi. Lucignano, terra di frontiera, si trova ad essere al centro del conflitto: le truppe imperiali di Ascanio della Cornia lo occupano una prima volta, ma sono presto ricacciati dai francesi; sono poi gli stessi Lucignanesi a fare di nuovo entrare gli spagnoli, scontenti dell'ordine dato dai francesi di abbandonare il paese, perché giudicato indifendibile. Sorse allora l'interesse a fortificare ulteriormente il paese, con terrapieni e contrafforti, esterni al paese. E' del 29 gennaio 1554 l'ordine dei fiorentini "...a tutti li homini et donne di Lucignano che devino andare a lavorar a la fortificatione che si fa per ordine del Serenissimo Duca nostra padrone...". Ma in primavera sono ancora i franco-senesi a Lucignano; tuttavia la guerra, nell'area di Lucignano, raggiunge l'acme il 2 agosto. Lungo il rivo di Scannagallo, tra Marciano e Pozzo della Chiana, i francesi vengono duramente sconfitti dagli spagnoli anche a causa di madornali errori strategici del condottiero di parte senese Pietro Strozzi, che ferito trovò provvisorio rifugio nel Convento dei frati Francescani a Lucignano. Il comando della difesa di Lucignano venne allora conferito dallo Strozzi al capitano romano Aldo Conti, il quale però timoroso, abbandonò subitamente il paese. Gli abitanti del paese a quel punto consegnarono le chiavi del paese agli spagnoli; i senesi non vi avrebbero più fatto ritorno.

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Conquistata Lucignano, in attesa del decisivo assalto alla Repubblica senese, Cosimo de' Medici pensò bene di consolidare gli obbiettivi raggiunti, provvedendo a rinforzare la guarnigione presente a Lucignano, ed, una volta che i cittadini gli ebbero giurato fedeltà, provvide a fare riparare le mura, le porte, la torre. Inoltre si premunì affinchè il progetto partorito dai Senesi, di una fortezza sulla collinetta a lato del paese, andasse avanti. In quegli anni lavorarono a stretto contatto con Cosimo valentissimi ingegneri militari ed architetti; a Palazzo Vecchio in un affresco dello Stradano è riconoscibile Cosimo con compasso in mano, che traccia le linee di una fortificazione attorniato dai suoi ingegneri. Tra questi ricordiamo Nanni Ungaro, Baldassare Lanci, Simone Genga, Bernardo Buontalenti, G.Battista Bellucci, G.Battísta Camerini, Alberto Alberti. Proprio in un'opera di quest'ultimo, la fortezza di Sansepolcro, sono rintracciabili assonanze di stile con la fortezza di Lucignano. Anche questa, come quella di Sansepolcro, doveva riuscire a pianta quadrangolare con cortine cellulari e gli angoli rinforzati da bastioni. La struttura cellulare, realizzata con archi a volta, era per l'epoca un'ottima soluzione ingegneristica, per limitare l'abbattimento alla sola cellula interessata, una volta che fosse stata minata e fatta saltare dal nemico, senza ulteriori danneggiamenti all'intera struttura muraria.

L'incarico di sovrintendere ai lavori , nel settembre 1554, venne inizialmente affidato a Bernardo Puccini; il quale presumibilmente riprese un progetto di G.B. Belluzzi, che lui aveva ereditato insieme alle funzioni d'ingegnere militare. L'idea era quella di procedere alla fortificazione della collinetta adiacente al paese, strategicamente volta verso Siena, e da lì con lunghe mura collegarsi al castello all'interno del paese . I lavori iniziarono subito e proseguirono l'anno successivo, con contributi finanziari via via approvati nelle riunioni Consigliari del 2 novembre 54, del 29 gennaio e del 31 novembre 1555. Ma già in quell'anno, si procedette a rilento, difatti facendosi attendere i finanziamenti si fece ricorso al lavoro di donne, e ai soldi "che giornalmente si cavano dal pane", che equivale a dire traendo i fondi da quanto destinato al vitto delle maestranze. Intanto la guerra tra Firenze e Siena era giunta al suo epilogo: in quello stesso anno Siena, stretta d'assedio dagli Spagnoli di Carlo V, cadde definitivamente. Dietro questi avvenimenti il ruolo bellico della fortezza lucignanese, concepita originariamente in funzione anti-senese, venne così improvvisamente a scemare, e presumibilmente i lavori di fortificazione non sarebbero ulteriormente proseguiti.

Il giorno 31 maggio 1556, accadde un fatto che doveva rimettere in discussione le cose: un esplosione spaventosa in cui perirono molte persone e bruciò parte dell'abitato distrusse completamente l'antica rocca di Lucignano. L'evento venne attribuito dai fiorentini ad un fulmine, scoppiato nella santa barbara del castello, ma non è escluso che possa essersi trattato di sabotaggio o disperato atto di vendetta degli ultimi partigiani senesi. Fatto sta che i lavori di fortificazione vennero subito ripresi. E' del 9 settembre 1556 il documento (riprodotto in appendice) in cui Giulio de' Medici dá notizia al Duca dell'avvenuta posa delle prime pietre della costruzione, celebrata con una Messa solenne e la muratura nelle fondamenta delle medaglie augurali. Mentre è del 14 luglio 1557 la lettera firmata da Giovanni Martini in cui s'informa Cosimo della fine dei lavori con l'apposizione dello stemma di Casa Medici e di un epitaffio del Puccino, sovrastante l'ingresso della fortezza. Il progetto iniziale risultò drasticamente ridotto: di fatto la parte muraria edificata abbracciò solo i lati nord-ovest (quelli rivolti verso Siena), mentre sugli altri lati ci si limitò a innalzare bastioni di terra. Essa era allora già costruita nelle parti che risultano dalla pianta militare seicentesca (riportata in appendice) e dai resti tuttora visibili. La costruzione comprendeva comunque tutte quelle opere: foresterie, polveriera, scuderia, pozzi, cisterne, camminamenti, sotto passaggi - attualmente del tutto inaccessibili - necessarie all'alloggiamento di una guarnigione stabile.

Nel 1557 cadde anche l'ultimo eroico baluardo della Repubblica senese, Montalcino; nel 1559 poi a Cateau-Cambresis venne firmata la pace che metteva fine alle guerre tra francesi e spagnoli in Italia. Con il raggiungimento di un nuovo status-quo e lo spostamento dei confini del ducato verso sud, pressoché coincidenti con gli attuali, la fortezza di Lucignano, malgrado la perdita d'importanza, entrò comunque a fare parte di quel complesso dispositivo difensivo, voluto da Cosimo, che permise, al Ducato di consolidarsi definitivamente. L'istituzione delle "Bande", reggimenti formati pressoché da contadini, garantirono una milizia di base

a carattere nazionale che si affiancò ai mercenari spagnoli e tedeschi, tenuti, a presidiare le maggiori città; a partire dal 1565, poi, furono istituiti i Cavalieri dell'Ordine Militare di Santo Stefano Papa e Martire dotati di una flotta. Ma il nodo della politica militare fu dato dalla costruzione di tutta una serie di grandi opere difensive, per le quali Cosimo I va giustamente famoso. Furono costruite nuove fortezze e ristrutturati vecchi presidi per sbarrare ogni possibile via d'accesso al territorìo ducale. Terra del Sole, edificata nel 1564, sovrastava la strada romagnola dell'Appennino, mentre la fortezza di Borgo Sansepolcro (1561-1563) gli accessi della Val Tiberina; Radicofaní, del 1565, rinforzata alle spalle dalla rocca di Montalcino, chiudeva le vie di Roma e di Viterbo; Fivizzano e Capriglia erano poste a difesa della strada della Lunigiana; Barga e Montecarlo erano puntate contro Lucca; la fortezza di San Martino in Mugello difendeva la strade provenienti dall'Appennino emiliano; infine la rocca del Sasso di Simone fronteggiava la formidabile San Leo nello Stato di Urbino. Inoltre furono costruite o ristrutturate altre fortezze nelle principali città come ad Arezzo, Pistoia, Montepulciano, Livorno, Cortona, Portoferraio. Tra queste, quella di Lucignano, essendo stata la prima, pur nella sua incompiutezza, resta un modello della architettura militare di quel periodo..

I Medici continuarono a regnare sul Granducato di Toscana sino alla morte di Giangastone, avvenuta nel 1737 senza lasciare eredi. A lui successe Francesco Stefano dì Lorena iniziatore, per il matrimonio contratto nel 1745 con Maria Teresa, della Casa degli Asburgo-lorena. Da quel momento la Toscana entrò nell'orbita imperiale Austriaca. Con un si potente alleato il sistema difensivo di fortezze, nonchè tutto l'apparato militare perse definitivamente importanza. La politica estera toscana venne fatta a Vienna. Mentre a Firenze Pietro Leopoldo, sensibile alle tematiche del dispotismo illuminato, potendo curare di più il benessere dei sudditi, pensò bene di ridurre l'apparato difensivo militare. E tanto fece Pietro Leopoldo, che nel giro di pochi anni le Fortezze vennero tutte alienate. Quella di Lucignano venne ceduta al Cav. Felice di Jacopo Griffoli - di antica nobiltà senese - nel 1778 in cambio di un terreno prospiciente ad essa, in cui più tardi sarebbe sorto il Cimitero. Con la privatizzazione, la fortezza di Lucignano, dìvenne parte di un podere agricolo, chiamato "le Fòrtezze", subendo in questo senso degrado e trasformazioni. Tutte le precedenti costruzioni ad uso militare in questo periodo andarono perdute o trasformate ad uso agricolo e quindi irriconoscibili. Delle due belle cisterne, dalla caratteristica volta a mattoni presenti nella pianta ne resta visibile una. Furono invece edificati i due torrini che caratterizzano tuttora i baluardi. Molta probabilmente questi vennero costruiti nell'anno 1827, con lo scopo di ricavarne dei mulini a vento. In un fortino è ancora presente la pietra della macina. Durante la II° guerra mondiale questa venne trasportata al piano superiore, ove tuttora si trova, dai Tedeschi, per fare da piedistallo ad una mitragliatrice impiegata ad uso antiaereo. Difatti ai piedi dei bastioni sono tuttora visibili le buche causate da un attacco aereo inglese del 1944. Ironico destino quello della Fortezza di Lucignano: costruite con intenti militari non vennero mai impiegate, quando poi cambiarono d'uso per essere un podere, subirono il loro primo ed unico battesimo del fuoco.