Nonostante la esiguità della documentazione esistente, gli storici concordano nell’ipotizzare un’attività consistente dei cantieri della Tersana durante il Duecento.
A dimostrazione della presenza di una rilevante forza navale, vi è la partecipazione dei pisani alle crociate. Alla 1° erano presenti probabilmente tra la fine del 1097 e l’inizio del 1098 (partecipando all’assedio di Antiochia) e più sicuramente nel 1099 (prendendo parte alla conquista di Gerusalemme). Per il loro aiuto ottennero, come avvenne poi anche in successive occasioni, ambite e prodighe ricompense. Si ricordi, ad esempio, la nomina dell’arcivescovo di Pisa Daimberto a patriarca di Gerusalemme, mentre ai mercanti pisani fu permesso di stabilire importanti stanziamenti ad appoggio dei loro commerci in varie sedi del Levante e dell’Impero bizantino, come a Costantinopoli (1111). La conquista delle isole Baleari, tra il 1113 e il 1115, strappate al dominio saraceno, rese infine possibile consolidare la potenza militare e commerciale della Repubblica su buona parte del Mediterraneo.
Nonostante l’epocale sconfitta subita il 6 agosto 1284 alla Meloria – isoletta prospiciente alla costa pisana - ad opera dei Genovesi, che comportò la perdita di parte della flotta repubblicana e la morte o la lunga prigionia di migliaia di Pisani, tra Duecento e Trecento continuava a sopravvivere la secolare vocazione marinara di Pisa. I tempi però erano assai poco clementi per quanti aspiravano a veder risorgere la gloriosa Repubblica. Nel 1290, a settembre, i Genovesi provocarono a Porto Pisano un danno gravissimo: intasarono l’imboccatura del canale maggiore di accesso affondandovi una galera piena di materiale da costruzione ed innalzarono irrimediabilmente il fondale scaricando nelle buche dei canali i materiali delle torri distrutte. Furono inoltre messi a fuoco il borgo del Porto e Livorno, mentre la Torre del Fanale fu fatta crollare in mare.
Il declino dell’attività cantieristica della Tersana fu invece segnato irrevocabilmente dalla perdita, nel 1325, della Sardegna (per altro già ceduta in buona parte a Genova fin dal 1285), avvenimento che rappresentò un colpo gravissimo per le finanze del Comune e provocò la contrazione del commercio marittimo pisano, con massima depressione nel ventennio 1325-1345.
A partire da quell’epoca, con la città sconquassata da interminabili lotte intestine fra guelfi e ghibellini, oltre che in continuo conflitto con i centri confinanti, ora Lucca, ora Firenze, l’attività marittima fu soggetta a costante contrazione e le strutture tradizionali, sorte in un periodo di forte espansione, erano ormai più che sufficienti a rispondere alle esigenze di una marineria che, per l’accordo politico incorso con Genova, doveva impegnare nella guardia del mare 10 galere, ma non ne mise in uso mai più di tre alla volta.
Una leggera ripresa delle attività cantieristiche si registrò invece durante la signoria di Fazio da Donoratico, negli anni dal 1329 al 1340, nonostante la drastica riduzione degli investimenti durante la guerra con Lucca del 1341 e negli anni immediatamente successivi. Tale contrazione si rifletté direttamente sulla produzione dell’arsenale: il legname e altre risorse materiali vennero utilizzate per gli accampamenti e per le altre attrezzature necessarie a sostenere uno sforzo bellico terrestre, mentre i capannoni della darsena si adoperarono quale deposito e laboratorio per la fabbricazione di armi.
La definitiva trasformazione degli arsenali repubblicani avvenne con Jacopo d’Appiano, nel 1394, il quale vi fece erigere una cittadella, fortificando e murando le strutture originarie ed aggiungendovi due torri. Tale decisione fu del tutto contraria alla volontà dei cittadini pisani e mossa esclusivamente da scopi difensivi, nel tentativo di escludere ogni possibile restaurazione del precedente governo dei Gambacorta. La distruzione delle strutture cantieristiche avvenne in occasione della rivolta popolare contro i Visconti nel 1405, responsabili di aver venduto la città a Firenze, mentre gli stessi pisani appiccarono il fuoco a ciò che restava dell’antica Tersana repubblicana per combattere i nemici fiorentini che ne avevano fatto una propria fortezza. Dopo un lunghissimo assedio, i pisani dovettero arrendersi e con il 9 ottobre 1406 si concluse definitivamente l’età repubblicana.