В 1881 году Пугачевская башня была отведена для содержания женщин, осужденных на ссылку в Сибирь за государственные преступления. Здесь же в не запиравшихся на день камерах содержались женщины по обвинению в государственных преступлениях в административном порядке.

Башни Бутырской тюрьмы продолжали оставаться местом заключения политических перед ссылкой в Сибирь до конца царского режима.

Во время декабрьского восстания 1905 года дружинники (в основном рабочие Миусского трамвайного парка, а также савёловские ибрестские железнодорожники) пытались захватить тюрьму, но были отбиты конвойной командой; бои продолжались до 14 декабря, когда Миусский парк был захвачен отрядом драгун.

В 1908 году при начальнике Кудрякове и заведующем каторгой Дружинине тюрьма превратилась в ад: порка стала повседневным явлением. Был введен новый институт — штрафная камера. Ужесточение режима сопровождалось беспорядками среди заключенных.

В период с 1905 по 1910 годы через местные казематы прошли такие известные личности, как Иван Каляев, Владимир Маяковский, Николай Шмит, а также члены экипажа мятежного военного корабля «Очаков».

В период с 1911 по 1917 годы здесь сидел Нестор Махно. Его, как и остальных политических заключенных, среди которых был и будущий начальник ЧК Феликс Эдмундович Дзержинский, освободили 1 марта 1917-го – в первые дни Февральской революции.

К 1921 году тюрьмы находились в бедственном положении. Бутырская тюрьма испытывает недостаток топлива, складывается катастрофическая ситуация с вещевым и продовольственным снабжением. Однако Дзержинского куда больше беспокоит вальяжно-мягкий режим содержания политических заключенных:

На деле это привело к внесудебным расправам в стенах тюрьмы и издевательствам над заключенными, к безраздельной власти коменданта тюрьмы Карла Яновича Дукиса, который славился особой жестокостью даже среди чекистов (мог, в частности, расстрелять заключенного прямо в тюремной камере, мотивируя намеренное убийство «состоянием самообороны»), и его помощника Адамсона. Описание бытовых условий заключенных часто встречается в заявлениях арестованных или бывших подследственных. Несмотря на период восстановления экономики, в тюрьмах по-прежнему остро ощущается нехватка продовольствия и медикаментов.

К середине 1920-х годов произвол тюремной администрации прогрессирует. Из-за крайне медленного рассмотрения жалоб и заявлений, несправедливых арестов, издевательств и средневековых условий содержания в тюрьмах органов госбезопасности все большее число заключенных прибегают к голодовке как к крайней мере. 9 апреля 1924 года большинство заключенных Бутырской тюрьмы, требуя для объяснения вызывать представителя власти от ВЦИК или прокуратуры для заявления о тяжелых бытовых условиях и, не получив удовлетворения, объявили голодовку.

Однако Дзержинский смотрит на протесты заключенных как на «кошачий концерт», действия Дукиса считает обоснованными и настолько уверен в своем ставленнике, что соглашается отправить комиссию по расследованию апрельского инцидента.

К лету 1927 года в стране началось нагнетание «предвоенного психоза»: были расторгнуты британо-советские дипломатические отношения, русским студентом был убит полпред СССР в Польше П. Л. Войков. В СССР эти события были преподнесены как подготовка к иностранной интервенции, что вылилось в поиски английских шпионов, контрреволюционеров и вызвало новую волну репрессий.

К концу года разгорелась внутрипартийная борьба: началось наступление на «левую оппозицию». Только за два с половиной месяца — со второй половины ноября 1927 до конца января 1928 года — за принадлежность к ней из партии были исключены 2288 человек (еще 970 оппозиционеров исключили до 15 ноября 1927 года). Очищение партии от оппозиции продолжалось на протяжении всего 1928 года. Большая часть исключенных была направлена в административную ссылку в дальние районы страны. В середине января 1928 года лидер оппозиции Л. Троцкий был сослан в Алма-Ату, а в 1929 году выслан за рубеж.

В этих условиях Бутырская тюрьма снова становится «приютом» для оппозиционеров.

С началом первой пятилетки были открыты «новые формы и новые методы борьбы буржуазной контрреволюции против пролетарского государства, против социалистической индустриализации»: вредительство.

Шахтинский процесс явился первой ласточкой последовавших показательных процессов над вредителями во всех отраслях промышленности. Репрессии специалистов в разных областях знаний стали носить систематический характер. Один за другим бдительными органами ОГПУ раскрывались заговоры на производствах. В 1930 году состоялся процесс так называемой «Промпартии»; в 1933 году слушалось фальсифицированное дело о вредительстве на электрических станциях СССР; в 1937 году проводились целенаправленные репрессии против «шпионов, диверсантов и вредителей в энергетической промышленности и на электростанциях».

После «чистки» во время кампании по борьбе с вредительством, когда часть специалистов осудили, других выгнали с работы, многие министерства и ведомства столкнулись с большой нехваткой квалифицированного персонала. Это послужило одной из причин, по которой в начале 1930-х годов стали создаваться особые технические бюро (под разными названиями), где использовался труд осужденных.

Первая авиационная шарашка (ЦКБ-39 ОГПУ им. Менжинского) — тюремное конструкторское бюро ОКБ ОГПУ — была организована еще в декабре 1929 года в тюремной церкви во внутреннем дворе Бутырской тюрьмы, где собрали осужденных авиаконструкторов. Авиаинженеры были переведены на усиленное питание, им разрешили прогулки и свидания с близкими. Работы над проектом истребителя начались прямо в тюремной церкви. Позже в Бутырском изоляторе разместят спецтюрьму ГУГБ, в которой будут содержаться осужденные специалисты всех областей.

В 1938 году в системе НКВД создается 4-й спецотдел, который отвечает за использование труда заключенных специалистов и ученых. Уже 7 января 1939 года Л. П. Берия представляет И. В. Сталину положение об Особом техническом бюро, а 10 января 1939 года 4-й спецотдел реорганизуется в Особое техническое бюро при наркоме внутренних дел СССР для использования заключенных, имеющих специальные технические знания.

В составе Бутырской тюрьмы образована тюрьма специального назначения с особым режимом содержания заключенных.

При тюрьме действует музей. Он существует с 1971 года — коллектив Бутырки добился разрешения создать его в год 200-летия замка тюрьмы. Находится музей на третьем этаже Пугачевской башни, где раньше располагались камеры для политических заключенных.

В 1992-м на тюремной территории вновь начал действовать Покровский храм.

Начиная с 1996-го в Бутырке больше не содержат женщин, кроме как в психиатрическом отделении местной больницы.

В настоящее время огромное тюремное здание в центре города не соответствует общему стилю столицы, оно устарело морально и физически, в нем невозможно создать для заключенных условия, соответствующие европейским стандартам. Построить новую тюрьму дешевле, чем тратить средства на постоянное латание дыр старого комплекса.

Требование закрыть изолятор депутаты Госдумы рассматривали уже несколько раз, однако пока никаких результатов не достигнуто. Жители окрестных домов постоянно просили рассмотреть вопрос о закрытии тюрьмы.

После жалоб москвичей многие депутаты предлагали переселить заключенных в СИЗО на Вилюйской улице, там и условия содержания намного лучше.

Не станет ли в этом случае место мученичества и страданий торгово-развлекательным центром с ресторанами, отелями, аттракционами? По мнению тех, кто стремится к сохранению исторической памяти, единственное, во что следует превратить Бутырскую тюрьму, — это музей, посвященный светлым и темным этапам развития пенитенциарной системы России.

В «Бутырке» в камере № 8 по ходу сюжета содержался главный герой трагикомедии Георгия Данелии «Мимино» Валико Мизандари. Он сам об этом сообщает, когда поступает на курсы пилотов дальней авиации. Там же снимались «тюремные сцены» сериала «Семнадцать мгновений весны». В 1991 году застенки «Бутырки» фигурировали в сериале «По следу черной рыбы».

Бутырская тюрьма неоднократно упоминалась в воспоминаниях, мемуарах и художественных произведениях известных сидельцев и их близких. Владимир Маяковский, угодив в «Бутырку» в 1909 году, стал после перерыва писать стихи. В воспоминаниях он пишет, что стихи выходили «ходульно и ревплаксиво», и приводит пример:

Журналист и мемуарист Евгения Гинзбург в своей книге «Крутой маршрут» достаточно подробно описывает жизнь в бутырских застенках.

Гинзбург передает впечатления сокамерниц о ночных допросах в «Бутырке»: «Под ночные допросы в «Бутырках» было отведено целое крыло какого-то этажа, вероятно, оборудованного по последнему слову палаческой техники. По крайней мере, Клара, побывавшая в гестапо, уверяла, что орудия пыток безусловно вывезены из гитлеровской Германии».

На завтрак в тюрьме давали хлеб, кипяток и два кусочка сахара, в обед — баланду и кашу, вечером рыбную похлебку. Книги читать разрешали — по две на десять дней, а 16 часов свободного времени можно было заполнять по своему усмотрению.

Жена Осипа Мандельштама Надежда Яковлевна в книге «Воспоминания» описала, как в тюрьму угодил ее муж:

Солженицын оказывался в Бутырской тюрьме пять раз. В первый раз его перевели туда для ознакомления с приговором. Второй и третий — перед отправкой в шарашки. В четвертый раз там состоялось его свидание с женой, а в пятый, последний, раз он был доставлен в Бутырскую тюрьму перед этапом в спецлагерь.

В ночь на 29 мая 1945 года Солженицына перевезли ожидать приговор из Лубянской тюрьмы в Бутырскую. Именно в Бутырской тюрьме он узнал о предстоящем Параде Победы.