箱館奉行所の移転先に選ばれたのは、箱館の隣村・亀田村にある柳野と呼ばれる緩やかな丘陵地でした。港湾から約3kmほど離れた場所で、これは当時の大砲の射程距離から外れていました。軍事的に優れた立地にありながら、箱館の市中からそれほど遠く離れた場所ではなく、赤川（亀田川）から清流を引き込むことができ、さらに周囲にある泥沼や曲がりくねった道が防衛上の利点になると判断されました。この地に、四方を土塁で巡らせた役所を建てる計画が決まり、箱館奉行支配の諸術調所教授役で蘭学者の武田斐三郎が設計を行うことになりました。

この役所を囲む土塁こそが、亀田御役所土塁すなわち五稜郭です。

五稜郭は、設計当初から星形の土塁を計画していたわけではありません。安政2（1855）年に箱館へ入港したフランス軍艦の軍人が、大砲や小銃による戦闘が中心となったヨーロッパで考案された土木技術を伝え、築城術が書かれた書籍を箱館奉行に贈呈しました。武田は設計図や絵図面を写し取って、西洋式築城術を学び五稜郭築造の参考にしました。

箱館奉行所が幕府に提出した文書には、「箱館に入港する外国の軍艦は、どれも大砲が充実している。それに対応するためには、西洋各国で採用されている築城術を参考にして、西洋式土塁の方法で役所を築造したい」と書かれています。

武田は模写した図面に独自の工夫を加えて設計図を完成させ、安政4（1857）年の春から五稜郭の工事が始まりました。途中、予算不足による縮小（半月堡を5か所から1か所に減らす）など、当初の設計や工事計画の変更がありましたが、万延元年（1860）年には土塁・掘割・石垣の工事が完成しました。

文久2（1862）年からは、江戸の中川伝蔵（代人：伊兵衛）によって、五稜郭の内部で御役所（奉行所）の建築が始まりました。

五稜郭の築造が始まってから約7年がたった元治元（1864）年に、御役所の建物がほぼ完成となりました。箱館奉行の小出秀実により、箱館山のふもとから五稜郭へと奉行所は移転し、新役所での仕事が始まりました。ここに五稜郭は蝦夷地における政治的中心になりました。