W XV wieku warownia była kilkakrotnie przebudowana, zwłaszcza za panowania Johanna IV Katzenelnbogen (zm. 1444). Wcześniej, bo w 1437, grafowie przebudowali wczesnogotycką kaplicę. Zachowały się fragmenty oryginalne z XIII wieku, natomiast późnogotyckie sklepienie jest rezultatem XV-wiecznej odbudowy. Wewnątrz kryje fragmenty oryginalnej polichromii m.in. z przedstawieniem patrona kaplicy i zamku Św. Marka. Jej patrocinium stało się zalążkiem obecnej nazwy zamku, która jest źródłowo potwierdzona w XVI wieku. W 1479 zamek przeszedł w ręce landgrafów heskiego przez małżeństwo Anny, wdowy po ostatnim z Katzenelbogenów z Henrykiem III Heskim.
Panowanie landgrafów heskich i książąt Nassau Czasy nowożytne były dla zamku okresem kolejnych przekształceń. Przyczyną było upowszechnienie artylerii, a co za tym, nowej sztuki fortyfikacyjnej. Za panowania Filipa Młodszego (zm. 1583), który był jednocześnie posiadaczem pobliskiego zamku Philippsburg, zamek Marksburg otrzymał nowoczesny system obwarowań. Dobudowano trzeci pierścień murów z kilkoma bastejami i bastionami oraz budynkiem prochowni.