Sau khi Lý Thái Tổ dời đô về Thăng Long, người con trai thứ 2 là Khai Quốc Vương mới hơn 10 tuổi được giao cai quản vùng đất này cùng sự bảo trợ của Hoàng hậu Lê Thị Phất Ngân. Hoa Lư tiếp tục giữ vai trò là một căn cứ quân sự và trung tâm văn hóa của các triều đại nhà Trần, Hậu Lê, nhà Mạc, Tây Sơn.

Nhà Trần sử dụng thành Nam, Tràng An của Cố đô Hoa Lư để làm cứ địa kháng chiến chống Nguyên Mông. Vua Trần Thái Tông tiếp tục xây dựng ở Hoa Lư hành cung Vũ Lâm, đền Trần thờ thần Quý Minh và chùa A Nậu. Cung Vũ Lâm là nơi các vua Trần xuất gia tu hành.

Nhà Hậu Lê, thời Lê Thánh Tông, Đại Việt sử ký toàn thư chép rằng: "Ngày 16, vua thân hành dẫn đại ngự giá khởi hành, trời mưa nhỏ, gió bấc. Tư thiên giám Tạ Khắc Hải tâu rằng: "Mưa là mưa nhuần quân, gió từ phương bắc là gió hòa". Cho nên khi thuyền đi vua đi, có câu thơ rằng:

Trăm vạn quân đi đánh cõi xa,Mui thuyền mưu đội thấm quân ta.

Vua liền sai Lại bộ thượng thư Nguyễn Như Đỗ tế đền Đinh Tiên Hoàng, để cầu cho quân đi thắng trận.

Thời nhà Mạc, quận công Bùi Thời Trung là người Hoa Lư đã cho tu bổ, xây dựng các đền thờ để có được kiến trúc giống hiện nay.

Lên núi Mã Yên thăm lăng Vua Đinh

Mùa đông năm Canh Dần (1770) chúa Trịnh Sâm đi tuần thú cõi Tây, lúc quay thuyền trở về, đi tắt tới đất Tràng An thăm cảnh Hoa Lư. Nhìn bốn phía núi xanh, nước biếc, cửa khoá mấy lần, từng bước đều là thành vàng và hào nước. Non sông hùng tráng, hình thắng to lớn. Xem dấu vết của triều Đinh mà lạnh lùng xơ xác,… khiến ông cảm khái làm một bài thơ để tả nỗi lòng:

Quay thuyền về tới bến Trường Yên,Nhác thấy Hoa Lư cũng thuận miền.Như tấm lụa chăng, hang giội nước,Có từng núi mọc, cửa chồng then.Cố đô đã mấy hồi thay đổi,Thiên phủ còn nguyên dấu vững bền.Hưng phế xưa nay bao chuyện cũLòng dân đáng sợ chớ nên quên.

Qua triều đại Tây Sơn, một lần nữa đất Hoa Lư trở thành cứ địa phòng ngự để đại phá quân Thanh với các địa danh phòng tuyến Tam Điệp, đồn Gián Khẩu và chùa Bái Đính. Đến triều đại nhà Nguyễn, các vua tiếp tục tôn tạo các di tích Hoa Lư và xây dựng các lăng mộ, nâng cấp lễ hội Cố đô Hoa Lư. Hiện nay, Cố đô Hoa Lư là một di sản văn hóa thế giới trong Quần thể Danh thắng Tràng An được UNESCO công nhận từ năm 2014.