Çimenlik Kalesi'yle aynı dönemde yapılan Kilitbahir Kalesi, 1462 yılında yine Fatih Sultan Mehmet'in emriyle Murat Efendi tarafından yaptırılmıştır. Denizin kilidi anlamı taşıyan bu kale, savunma anlamında boğazın bel kemiğidir.
Hem mimarisi hem de tasarımıyla Dünya'da eşi benzeri olmayan Kilitbahir Kalesi, Oxford ve Harvard da sanat tarihi derslerinde dahi gösterilmektedir. Kalenin en özel ve dikkat çeken farkı; yedi katlı, yonca planlı iç kalesidir. Kalenin 7 katlı olup her katta farklı farklı hücreler olduğu ve bir nevi labirenti andırdığı ifade edilmektedir. KilitBahir Kalesi, sonraki dönemlerde ilk kez 1541 senesinde Kanuni Sultan Süleyman tarafından restore edilmiştir.
Sestos Antik Kenti'ne ait taşlar, kalenin yapımında ana katmanlardan birini oluşturmaktadır. Çanakkale gezilecek yerler arasında mutlaka bulunması gereken bu tarihi kaleye giriş ücreti vardır.
