Suomenlinnan rakentamisen aikana 1700-luvulla Vallisaari toimi huoltosaarena, jossa laidunnettiin karjaa ja josta saatiin polttopuuta. Vuosisadan lopulla Vallisaaresta tuli luotsien tukikohta. Vuodesta 1918 aina vuoteen 2012 Vallisaari toimi Suomen armeijan varastoalueena. Enimmillään saarella on ollut noin 300 asukasta 1950-luvulla sekä oma koulu ja kauppa. Merivoimien kantahenkilökuntaa asui saaressa vuoteen 1996 asti.
Vallisaari ja Kuninkaansaari olivat suurin venäläisten merilinnake Helsingissä. Krimin sodassa elokuussa 1855 englantilaiset ja ranskalaiset vihollislaivat tulittivat mereltä Suomenlinnaa kaikessa rauhassa pari päivää. Suomenlinnan vanhanaikaisilla tykeillä ei kyetty ulottumaan vihollislaivoihin viiden kilometrin päähän. Niinpä Vallisaareen ja Kuninkaansaareen rakennettiin isot uudenaikaiset tykkiasemat. Rakentaminen kesti vuosikymmeniä, ja mukana oli myös suomalaisia työmiehiä.
Ainoa sotatoimi tällä linnakkeella oli kesällä 1906, jolloin parituhatta venäläistä matruusia ryhtyi sotilaskapinaan. Tarkoituksena oli kumota tsaarinvalta ja levittää varuskuntien kapinaliike koko Venäjälle. Tämän Viaporin kapinan pääkeskus oli Kuninkaansaaressa. Pari päivää käytiin ankaria taisteluja. Kapina tukahtui suuren ruutivaraston räjähdykseen Kuninkaansaaressa.
Vallisaaren Kuolemanlaaksossa tapahtui toinen tuhoisa räjähdeonnettomuus 9.7.1937, jossa kuoli kahdeksan ihmistä heti ja neljä myöhemmin sairaalassa. Lisäksi puolustusministeriön taisteluvälineosaston päällikkö, insinöörieversti Aleksanteri Huuri järkyttyi niin pahasti, että menehtyi noin viikkoa myöhemmin. Räjähdyksen syyksi on arveltu räjähteiden huolimatonta käsittelyä tai tihutyötä. Maastossa on räjähteitä vieläkin, joten poluilla on syytä pysyä.
Vallisaaren kansakoulu, 1965. Kuva Helsingin kaupunginmuseo, Constantin Grünberg.