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C’est la plus grande base de défense française depuis le 1^er janvier 2011, elle emploie 23 000 personnes. C’est par ailleurs l’un des rares sites historiques de la ville à ne pas avoir été détruit lors de la Seconde Guerre mondiale.

En 1595, Henri IV, accorde aux habitants de la cité, qui ont élevé à leurs frais les murailles qui protègent la ville, l'usufruit à perpétuité des fossés et terrains à gagner sur la mer. On peut voir dans cette concession la naissance de l'arsenal. En 1599, un arrêt rendu par le Parlement de Provence précise qu'une partie de ces terrains est "destinée à servir à la construction, à fabriquer des vaisseaux et pour bâtir un arsenal". Dès 1650, l'Intendant de la Marine, Louis Le Roux d'Infreville, projette l'agrandissement de l'arsenal.

Colbert fait appel à Vauban qui décide de fortifier la ville et d'agrandir l'arsenal. Les travaux qui débutent en 1679 permettent d’étendre l’arsenal vers l’ouest et d’y intégrer le hameau de Castigneau. De nouvelles fortifications sont édifiées et, pour éviter l'envasement du port, on détourne les ruisseaux du Las et de l'Eygoutier

Dans les dernières années du XVII^e siècle, l'arsenal acquiert une nouvelle ampleur. Des espaces utilitaires et de stockage y sont ajoutés. La corderie royale qui est construite alors (320 mètres de long pour 20 mètres de large) est le premier édifice bâti lors de l’agrandissement de l’enceinte fortifiée de Toulon. On y voit également apparaître un hôpital, un quartier des vivres, d'immenses magasins de stockage, un casernement, de nouvelles jetées, un magasin pour cordage goudronné, l'étuve, ainsi qu’une poudrerie. On prévoit également d'agrandir la fonderie qui produit 500 canons tous les 18 mois et écoule vers Brest une partie de sa production. A cela s’ajoutent d’autres types de constructions : une pépinière, un séminaire et une boulangerie. Certains de ces anciens bâtiments sont toujours visibles dans l’arsenal actuel : le musée de la Marine, créé à la fin du Premier Empire ; le bâtiment de l’horloge, dont la construction est entreprise sous Louis  XIV ; et la corderie royale.

La base comporte trois entrées principales. La première, située dans la zone Vauban à proximité du port civil, est l’ancienne Porte Principale de l’arsenal, devenue aujourd’hui l’entrée du Musée de la Marine (cet ensemble architectural a été classé au titre de Monuments Historiques en 1910). La deuxième ouverture appelée Porte Castigneau, à l'entrée ouest du centre-ville, assure l'approvisionnement en fret ainsi que la circulation des convois militaires et civils de la base militaire. La troisième porte est la Porte Malbousquet.

Actuellement, l’arsenal comprend une trentaine de bâtiments. Il est divisé en cinq zones principales ayant chacune leurs accès à la mer. La zone Vauban, la plus à l’est de l’arsenal principal, comprend la darse de Vauban, le quai de l’Artillerie, le quai Vauban, la petite darse de la tour de l’Horloge avec son quai en cloche, et la zone des bassins avec le quai d’honneur. La zone Castigneau comprend la darse de Castigneau, trois bassins et l’îlot Castigneau appelé autrefois « le parc au charbon ». La zone
Missiessy comprend la darse de Missiessy et 3 bassins qui accueillent les sous-marins nucléaires d’attaque. La zone de Milhaud comprend les quais qui accueillent les états-majors de la Force d’Action Navale et de l’Aviation embarquée. Enfin, la zone de Malbousquet comprend notamment des ateliers et un centre d’entrainement à la sécurité. Il s’agit aujourd’hui de la principale base navale française.