L'Arsenale Repubblicano si trova all'interno della cosiddetta Tersana, spazio murato (circa metà del XIII secolo) sviluppatosi in ampliamento verso ovest delle mura comunali, immediatamente ad ovest del Borgo in ripa de fluvio Arno, prope civitate Pisa, dove sorgeva la chiesa di S. Vito, nota a partire dal 1051, e destinato alla costruzione e riparazione delle imbarcazioni della Repubblica di Pisa. E' noto che i lavori alla Tersana furono condotti in continuità di tempi con il completamento degli ultimi strati delle mura urbane, come è attestato dai materiali e l'assetto tra la parte inferiore della cortina dell'Arsenale e la fascia più alta del muro urbano. La posizione, mura e torri ne fecero un vero e proprio fortilizio a difesa della città da parte del mare. Nel 1264 fu benedetto dall'arcivescovo Federico Visconti che vi consacrò la chiesetta dedicata alle sante Barbara e Reparata. Secondo Tolaini, vent'anni dopo si lavorava allo scavo del fossato perimetrale ed ai capannoni delle galere, per i quali furono utilizzati legnami e pietrame ottenuto dalla demolizione delle torri e case dei fuoriusciti. La struttura di pianta romboidale di circa 40m di lato è divisa internamente da cinque navate parallele.
La particolare forma dell'edificio, con navate perpendicolari al canale, fortemente inclinate in pianta (50° circa rispetto alla verticale) trova una sua spiegazione nella organizzazione interna della Tersana ed in particolare nella vasca d'acqua che penetrando dall'Arno per mezzo di un grande canale lambiva l'Arsenale. L'inclinazione rispetto al canale favoriva il varo delle navi verso il fiume. E' noto che i lavori alle mura ripresero dopo una prima interruzione con tempi accelerati, con l'impiego di materiali eterogenei, a lotti sviluppati linearmente e continui, piuttosto che singoli tratti completati in altezza, al fine di fornire almeno la minima difesa su tutto il perimetro. Diverso il materiale: interrotta l'estrazione della panchina, si scelse un calcare esistente alle due estremità della cava esistente a San Giuliano, che ha una stratificazione adatta a fornire materiali che richiedevano minor tempi di lavorazione (filari naturalmente isometrici); questa cava offriva anche pietra per ottenere una calce fortissima. Tronconi di pilastro dell'Arsenale mostrano le qualità di bianchezza e di luminosità della pietra, simile a quelle descritte da Vasari per il Duomo: Ed in quel di Pisa, al monte San Giuliano, si cava similmente una sorta di marmo bianco che tiene d'alberese e di questi è incrostato di fuori il Duomo e il Camposanto … (Giorgio Vasari).
Negli strati superiori si utilizzò invece un altro tipo di pietra, una breccia sedimentaria grigio-rosata da Asciano.
Alla vigilia della conquista fiorentina, nel 1394, la Tersana diviene fortezza. La struttura non verrà impiegata come cantiere navale, perde la sua funzione e viene quindi lasciata temporaneamente in abbandono. Quando nel 1440 fu iniziata la costruzione della Cittadella Nuova all'estremità opposta della città, la cittadella vecchia tornò ad essere utilizzata come arsenale: si sa che in questo momento furono realizzati nove portici, di cui non restano ad oggi tracce. Con Cosimo I si abbandonarono gli arsenali repubblicani per costruire, agli inizi del 1548, nuove tersanaie nella medesima area, ma più prossime al fiume rispetto ai vani repubblicani, nella parte nord-ovest. Un inventario del 1575 precisa le costruzioni che si trovano all'interno dell'area dell'Arsenale.
