Osmanlı döneminde ise gösteri platformundan, savunma kalesine, sürgün istasyonundan, karantina odasına kadar birçok konuda kullanılmıştır. Bugün görülen yerlerin dışında, II. Mehmet (Fatih Sultan Mehmet) döneminde, etrafında duvarlar ve askeri yapılar olması nedeniyle savunma için stratejik konumdaydı. Bugün görünen kalenin temelleri ve alt katın önemli kısımları Fatih Sultan Mehmet döneminde yapılmıştır. Kule 1509’daki depremde zarar görünce Yavuz Sultan Selim döneminde onarıldı. Çevresi sığ olduğu için 17. yüzyılda kuleye bir de fener eklendi ve burası deniz fenerine dönüştürüldü. 1719’da fenerdeki yağ kandili rüzgâr yüzünden etrafı tutuşturunca iç kısmı ahşap kule yandı ve altı yıl sonra Nevşehirli Damat İbrahim Paşa kuleyi kurşun kubbeli, fener bölümü kâgir ve camlı olarak restore ettirdi. 1830-1831’deki kolera salgınında, ardından 1836-1837’deki veba salgınında kulenin karantina hastanesine dönüştürülmesiyle hastalıkların kente yayılması önlenmeye çalışıldı. Bir zamanlar da, gemilerin kız kulesi ile Anadolu yakası arasından geçişine izin verildiği ve kulenin, buradan geçen gemilerden vergi almak amacıyla kullanıldığı da belirtilmektedir. Bununla birlikte yüzyıllardan beri geceleri geçen gemilere, feneri ile yol gösterme işlevini hiç kaybetmemiştir.
Kuleye şimdiki halini Sultan II. Mahmut vermiştir. Bu dönemde yapılan restorasyon barok tarzı mimari taşımaktadır. Kulenin üstündeki madalyon halindeki mermer levhada, II. Mahmut’un, hattat Rasim’in kaleminden çıkmış, 1832 tarihli tuğrası vardır. Kulenin Eminönü tarafı daha genişçe olup, bu tarafta bir sarnıcın olduğu görülmektedir. Antik çağda “Küçük Kale” ve “Dana Yavrusu” ismi ile anılmakta olan kule, şimdi Kız Kulesi ismi ile bütünleşmiş ve ün yapmıştır. Kız Kulesi ismi ise, onunla ilgili anlatılan hikayelerde geçen prenseslere atfen buraya Kız Kulesi ismini verildiği söylenmektedir.
Kız kulesinin ilk yapılış amacının gizemini koruması nedeniyle bununla ilgili birçok hikaye ortaya çıkmıştır. Bu hikayelerden en çok konuşulanı hiç şüphesiz yılan hikayesidir. Bu hikayeye göre; Bizans imparatorunun bir kızı olur ve kral buna çok sevinir. Kral ülkenin bilginlerini kızını yetiştirmesi için görevlendirir. Ancak bilginlerden birisi kızının 18 yaşına geldiği zaman bir yılan tarafından sokularak zehirlenip öleceğini söyler. Bu yorumdan etkilenen kral, kızını korumak amacıyla, denizin ortasındaki küçük bir ada üzerinde bulunan kuleyi onartarak kızı için hazırlatır. Öyle ki, beton borular döşenerek, kızın beslenmesi için süt ve su buradan kaleye gönderilmiş. Aradan yıllar geçer, on sekiz yaşına yaklaştığına kız, ağır hastalığa yakalanır. Yoğun çabalar sonucu iyileşen kıza, hediye olarak bir sepet üzüm gönderilir. Üzüm sepetinin içinde bulunan yılan kimse farkına bile varamadan prensesi sokar, zehirler ve kız ölür. Bu olay karşısında çok üzülen kral kaderden kaçılamayacağını anlar. Kızının toprağa gömülürse yılanlara yem olacağını düşünür ve kızının cesedini mumya yaptırıp pirinç tabuta koydurur. Bu tabutu da Ayasofya’nın yüksek duvarlarından birinin üstüne yerleştirilmesini ister. Bu şekilde kızının hiç değilse ölüsünün yılanlardan korunacağını düşünür. Bu tabutun üzerinde iki delik görülmüş (günümüzde de görülmektedir) ve yılanın kızı ölümünden sonra da rahat bırakmadığı anlatılır. Bu hikaye aslında kaderden kaçılamayacağının gösterilmesi amacıyla yıllarca anlatılarak nesilden nesile aktarılmıştır.
Diğer bir hikaye de Battal Gazi ile ilgili olanıdır. Buna göre; Osmanlı döneminde Battal Gazi’nin askerleri ile birlikte kuleye baskın yaptığı, kulede bulunan hazineleri alarak burada yaşayan Üsküdar Tekfuru’nun kızını kaçırdığı anlatılır. İstanbul’u kuşatmaya gelen Battal Gazi kuşatmadan bir sonuç alamayınca Kız Kulesi’nin önündeki kıyıya karargah kurar ve yedi yıl burada kalır. Hikayeye göre Battal Gazi’nin bu kadar uzun süre burada kalmasının asıl sebebi Üsküdar Tekfuru’nun kızına aşık olmasıdır. Üsküdar Tekfuru Battal Gazi’den korkusuna kızını hazineleri ile birlikte kuleye kapatır. Şam seferinden sonra Üsküdar’a dönen Battal Gazi kayık ile kuleye gider hazineleri ve kızı alarak Üsküdar’dan atına atlayıp oradan uzaklaşır. Çok söylenen “Atı alan Üsküdar’ı geçti” lafı buradan gelmektedir.
Günümüzde, Üsküdarda Bizans dönemine ait kalan tek yapı olan Kız Kulesi, 1995-2000 yılları arasında yapılan restorasyonla, 2000 yılından itibaren restoran ve seyir terası olarak hizmet vermeye başlamıştır. Restorasyon işlemi, restoran amacına uygun hale getirmek amacıyla iç kısımda yapılan düzenlemelerdir. Kız Kulesi’ne ulaşım Ortaköy ve Salacak’tan teknelerle sağlanmaktadır.