Pärast Põhjasõda soovis tsaarivõim seoses vajadusega uusi alasid paremini kindlustada ja sõjalaevastiku väljaõppe akvatooriumi laiendada ehitada Eesti rannikule rea uusi tuletorne. Laienenud hüdrograafilise teenistuse tarbeks korraldati 19. sajandi algul ümber ka tuletornide võrgu juhtimine. Saaremaa hakkas Riia asemel kuuluma Tallinna sadama parandamise ekspeditsioonile. Uute tuletornide ehitusküsimused lahendati läbi Admiraliteedi Departemangu. Senine korraldus, kus tuletornide korrashoid oli aadlikest rannavanemate ülesandeks muudeti ja nende õigused ning kohustused läksid üle riigile.
1803. aastal andis Vene Admiraliteedi Departemang korralduse ehitada Saaremaa läänerannikule Loonalaiule tuletorn. Praktilistel kaalutlustel (tühi ja inimasustuseta Loonalaid oli tuletorni jaoks ka ebasobiva geoloogilise pinnasega) ehitati tuletorn (valmis1809. aastal) siiski Vilsandi saarele. Inimasustus Vilsandi saarel piirdus tollal nelja talumajapidamise ja üheksa kalurihütiga. Suur-Vilsandi saare kasuks rääkis ka asjaolu, et 1787. aastal oli asutatud Vilsandile piirivalve kordon, just tuletorni asukohaks valitud paiga lähikonda. Esimene tuletorn valmis 1809. aasta septembris. Järgmisel aastal alustati sellest 150 m põhja pool teise majakatorni ehitamist (selliste kaksik- tornide ülesanne oli eristada kõige ohtlikumaid madalikke ja toimida liitsihina täpse kohamäärangu fikseerimiseks). See torn aga varises halva ehituskvaliteedi tõttu, surma sai 12 meest. Samale kohale ehitati puidust torn (lammutati 1840. aastal). Vilsandi kaksiktuletorni ülesandeks oli aidata eristada Vilsandi tuletorni Kõpu ja Sõrve tuletornidest ja määrata laeva kaugust läänes paiknevast Uuskuiva madalast.
Seoses nõguspeeglitega võimendatud plinktule kasutuselevõtuga ehitati algne murdpaest torn 1817. aastal 110 jala kõrguseni, mida tõendab teine karniis seitsmenda korruse lae kohal. Seda kinnitab ka 1820. aastal valminud Kroonlinna ja Tallinna sadama parandamise ekspeditsioonide juhi kapten- leitnant Leonti Spafarjevi koostatud merekaart, kus esmakordselt on märgitud ka tuletornide kõrgus ja kuju.
Selleks ajaks oli tihenenud ka asustus Vilsandil. Et saarel paiknesid nelja mõisa (Karala, Lümanda, Loona ja Pajumõisa) ning Kihelkonna kirikumõisa heinamaad, siis tähendas heinamaade vahtide perede alaline kohaolek ka mõisale paremaid kalastusvõimalusi ning väärtuslikuma meresaagi kogumist, eriti laevahukkude järel. 1837. aastal ehitati saarele ka uus piirivalvekordon, mille müürid tähistavad nn Venede küla asukohta. Pärast Krimmi sõda, kui Venemaal tehti karmid järeldused merenduse mahajäämusest, hakati ka tule- torne moderniseerima. Vilsandi tuletorn ehitati koos laternaruumiga veel 21 jalga kõrgemaks, remonditööd lõppesid 1870. aastal. Samal ajal lõppes ka majakate mehitamine sõjaväelastega ja uueks tuletorni ülevaatajaks määrati Tolbuhhini tuletornist üle toodud Mihhail Sidorov (1835-1906), kes korraldas valveteenistust juba palgatud meestega.
Algusaastate tuletorni meeskond, mis koosnes ülevaatajast, kes sai 300 rubla aastas ja viiest teenistuses olevast mehest, kelle hulgas oli üks allohvitser ja üks tentsik, elas algul ilmselt Hoidja talus, hiljem tuletorni juurde ehitatud ülevaataja majas ja kasarmus. 1910. aastal sai Vilsandi tuletornikompleksist Vilsandi linnukaitseala keskus. Tuletorni ülevaataja Artur Toom (kutsuti ka Linnukuningaks) kulutas suure osa oma energiast lindude kaitseala loomisele ja arendamisele. Vilsandi linnukaitseala oli esimene Venemaal, sellest sai alguse Vilsandi rahvuspark.
1925. aastal paiknes tuletorni maa-alal 12 ehitist ja rajatist: tuletorn; pääste- jaama paadikuur (1874); ülevaataja elamu; teenijate elamu, nimetatud ka kasarmuks; petrooliait; kelder (1893); saun (1874); ait; loomalaut; puukuur ja kaev; mast tuule kiiruse ja suuna mõõtmiseks.
1937. aastal ehitati juurde veel turistide kodu, mis oma arhitektuurse lahendusega sulandus valutult tsaariaegsesse ansamblisse. 1973.aastal see lammutati.
Nõukogude aeg lisas piirivalve vaatlustorni, generaatorihoone ja veel ühe elumaja personali tarbeks. Samuti piirati kogu territoorium kõrge okas- traataiaga. Tänapäeval kuulub enamik kompleksi kuuluvatest hoonetest erinevatele omanikele (majakas Veeteede Ametile, ülevaataja elamu ja kivist laut Eesti Meteoroloogia- ja Hüdroloogiainstituudile, ülejäänud hooned on eraomanduses). 2004. aastal võeti Vilsandi tuletornikompleks kaitse alla riikliku kultuurimälestisena.
