L'aménagement d'un second bassin à flot est envisagé par l'ingénieur Joseph-Marie- François Cachin dès 1803 dans son plan général du nouvel arsenal qu'il soumet alors à l'approbation du Premier Consul. Abandonné néanmoins par l'Empereur lors de sa tournée d'inspection au port militaire entre le 26 et le 30 mai 1811, le projet renaît de ses cendres sous la Restauration, suite à la publication d'une dépêche ministérielle, le 12 octobre 1821, qui invite les autorités du port à réfléchir sur la création d'un nouveau bassin, destiné au radoub et à la construction, à l'ouest de l'arsenal. Quelques années plus tard, le nouveau plan général des établissements, approuvé le 25 août 1835 par le ministre de la Marine et des Colonies Guy-Victor Duperré, prévoit la création d'un bassin rectangulaire de 400 mètres de long sur 180 mètres de large, dont le produit des déblais doit être destiné à alimenter plusieurs chantiers en plein développement : Digue du Large, enceinte fortifiée et futurs établissements du nouvel arsenal. Commencés officiellement le 28 juin 1836, les travaux se poursuivent avec lenteur jusqu'en 1853 pour des raisons à la fois financières et surtout techniques : l'extraction des pierres se fait tantôt à la main ou tantôt à la mine et l'évacuation des eaux d'infiltration s'effectue avec des pompes à bras jusqu'en 1841, date d'installation des premiers pompes à vapeur. La volonté de l'empereur Napoléon III de mener à bien le chantier commencé par son glorieux ancêtre, combiné à l'achèvement officiel des travaux de la Digue du Large, donne cependant un coup décisif à l'opération au début du second Empire. Le 1er août 1853, un nouveau marché à l'entreprise est signé avec les entrepreneurs Dussau et Rabattu chargés d'achever le creusement de la partie sud du bassin et de procéder à l'installation des écluses de communication entre le nouvel arrière-bassin, le bassin d'armement et l'avant-port. Le contrat, dont les termes doivent être honorés pour le 1er mai 1858, est accompagné de plusieurs modifications destinées à satisfaire aux conditions nouvelles de la navigation à vapeur : extension des proportions du bassin, portées à 420 mètres de long sur 200 mètres de large par la décision ministérielle du 16 août 1854, élargissement de la passe sud qui communique avec l'avant-port, allongement des formes de radoub situées sur le quai sud par la décision ministérielle du 4 février 1856. Effectué à l'aide de grandes mines, chargées de 2000 à 3000 kilogrammes de poudres, le creusement de l'ouvrage, dont les pierres sont évacuées à partir de 1855 par voie de chemin de fer vers la baie Sainte-Anne, se termine en 1858. Ce dernier, baptisé le 27 avril 1858 bassin Napoléon III, est inauguré le 7 août 1858 en présence de Napoléon III et de son épouse Eugénie de Montijo, après qu'eut été scellée dans le fond du bassin l'inscription suivante «Ce bassin, décrété le 15 avril 1803, par Napoléon 1er, a été commencé le 28 juin 1836, et a été inauguré le 8 août 1858, en présence de leurs majestés l'Empereur Napoléon III et l'impératrice Eugénie, S. E ; l'amiral Hamelin, ministre de la Marine et des Colonies". Il est alors entouré par sept formes de radoub (quatre au nord de 90 à 100 mètres de longueur, une à l'ouest de 69 mètres et deux au sud qui ne seront achevées qu'en 1862) ainsi que par six cales de construction établies sur le quai ouest. Une génération plus tard, l'apparition des navires cuirassés dans les années 1870 puis la spécialisation de Cherbourg dans la production de submersibles à partir du début du XXe siècle font subir de profondes mutations à la physionomie des lieux. Entre 1903 et 1911, les cales de constructions situées à l'ouest disparaissent pour laisser place à la station des sous-marins tandis que les proportions des formes 5 et 6 au sud sont encore une fois modifiées. La Seconde Guerre mondiale achève cette œuvre de mutation des paysages en provoquant la disparition, lors de l'incendie de l'arsenal en juin 1944, de nombreux bâtiments qui bordaient autrefois le bassin : Direction des Travaux hydrauliques au nord-ouest, Direction des Mouvement du Port à l'est, Ateliers de Forges d'Armement au sud (dont seule une partie des bâtiments subsiste).