Cisterny gotických hradů měly specifickou konstrukci. Jáma kolem čerpací kamenné skruže, hluboké jen několik metrů, byla vyplněna pískem, přes který byla přiváděná střešní voda filtrována a propouštěna do vnitřní čerpací skruže. Prostor písečného věnce býval zaklenut nebo překryt kameny a pod podlahou čerpací komory opatřen mocnou izolační vrstvou jílu. Cisterny tohoto typu byly zjištěny na hradech Obřany u Brna (kolem 1270) a Boskovicích (14. stol.). Střešní voda bývala do středověkých cisteren sváděna pomocí velkého trychtýřovitého sběrače nadzemní dřevěné konstrukce.
V místech nejstarší cisterny vznikla hradní studna, jedna z nejhlubších na našem území. Její hloubka dosahovala již ve středověku téměř 40 metrů. Obložení horního úseku šachty do hloubky 11 m hladce přitesávanými kvádry je novověkého původu. V písemných pramenech je studna doložena až od roku 1711, kdy byla téměř bez vody a proto se přistoupilo k jejímu dalšímu prohlubování. Od roku 1713 se pracovalo na jejím vyčištění, opravě a zaklenutí i na rekonstrukci další (nikoliv původní) cisterny, zbudované v jejím sousedství na nádvoří. Obě zařízení měla být obnovena v celkovém nákladu 2000 zlatých, protože neposkytovala dostatečný zdroj vody pro pevnost.
Stará „horní studna“ byla podle nejstarší dochované zprávy z roku 1714 hluboká 20 a půl sáhu (cca 39 m). Bylo rozhodnuto dále ji prohlubovat o průměru 1 sáhu, až po dosažení dostatečného vodního zdroje. K práci byli povoláni horníci z pernštejnského panství pod vedením důlního mistra Samuela Sprosse. Práci znemožňovaly plyny z odstřelování skály, pro jejichž odvedení muselo být zhotoveno dřevěné větrací zařízení. Železo, ocel a speciální nástroje dodávali brněnští železáři a kováři. Celkové náklady na 1 vyhloubený sáh převyšovaly 115 zlatých. V polovině roku 1715 byla překročena hloubka 33 sáhů (přes 63 m), za rok se tedy vyhloubilo 13 sáhů (necelých 25 m).
V létě roku 1716 bylo již dosaženo stometrové hloubky (přibližně úrovně hladiny řeky Svratky). Nenarazilo se sice na pramen, voda však do studny prosakovala skalními puklinami. Za 24 hodin se načerpalo přes 40 hl vody. Po vyjádření přizvaných expertů rozhodl ještě téhož roku císař Karel VI. pokračovat v prohlubování až do získání dostatečného a stálého množství vody. Po dosažení údajné hloubky 60 sáhů a 1 stopy (114 m, asi 9 sáhů pod hladinou Svratky) bylo čerpáno za 24 hodin 68 sudů vody, jíž se v šachtě za den nashromáždilo na 50 sudů. Ještě téhož roku byly ze dna raženy horizontální štoly pro dosažení zavodnělých puklin, jejichž přínos zvýšil denní výtěžek vody o 10 okovů (věder).Vodní sloupec dosahoval při nečerpání až 30 sáhů (57 m). Kolaudační komise v roce 1717 konstatovala, že nelze stanovit počet ani sílu pramenů, které se jevily poměrně slabé. Nárůst vodního sloupce o 90 cm během 24 hodin byl však seznán postačujícím. Proto bylo rozhodnuto další hloubení zastavit a zhotovit vhodné čerpací zařízení. V atestu o vyhloubení studny, vydaném roku 1718 s císařským souhlasem Samuelu Sprossovi, je udávána její celková hloubka 62 sáhů (118 m). Skutečná hloubka činí 112 metrů.
V roce 1718 byl vypracován brněnským stavitelem Mořicem Grimmem a tesařským mistrem Janem Ebenbergrem rozpočet na nový studniční domek, přistavěný k obvodovému traktu, se vstupem z nádvoří. Byl opatřen mohutnou fortifikační klenbou a studničním strojem s konopným provazem. Zhotovili jej brněnský stavitel František Klíčník a Jan Ebenberger. Čerpací zařízení se rychle opotřebovalo a bývalo často opravováno. V roce 1783 bylo již v provozu šlapací kolo s těžkým řetězem, na němž denně pracovalo 8 vězňů. V polovině 19. věku bylo používáno jen občas, vedle žentouru. Otáčeli jím 4 muži (vytažení vědra údajně trvalo 15 minut), na žentour bylo zapotřebí 6 mužů nebo koně. Tehdy byl nedostatek vody ve studni i v cisterně.
V roce 1809 byla studna na příkaz císaře Napoleona zasypána. Po vyčištění (1810-1811), na němž pracovalo půl roku šest minérů, byla opět zprovozněna.
Studna bývala ve funkci do konce 19. století, studniční domek byl odstraněn až v letech 1939-1941.
V roce 1717 bylo započato s komplexní přestavbou cisterny v nádvoří podle návrhu zemského inženýra Rocheta, s nímž byl císař seznámen roku 1713. Měla sloužit jako náhradní rezervoár vody v pevnosti pro případ poruchy studničního zařízení. Zobrazuje ji schematický řez z roku 1745. Po častých opravách sloužila ještě v 1. třetině 20. století. Její podzemní část byla odkryta v roce 1988 a částečně rekonstruována. Tato barokní cisterna je pozoruhodnou technickou památkou.
Tajemství špilberské studny
V roce 1987 byl z podnětu Muzea města Brna zahájen průzkum hluboké studny v nádvoří. Od roku 1990 jej prováděla brněnská firma UNISPO s potápěči, speleology a horolezci. Ze studny bylo vytěženo 308 kubíků nejrůznějšího materiálu. Vyhodnocení a konzervaci nálezů provedli odborní pracovníci muzea. V archivních pramenech hledali odpověď na související otázky a dohady: Co se na dně a stěnách studny skrývá? Není infikována? Neukryla zde německá armáda za války tajný archiv či nevybuchlou munici? Najde se v ní drahocený šperk americké turistky? Odpovídají údaje historických plánů studny skutečnosti? Mnohé otázky byly zodpovězeny, jiné se objevily.
Měření v roce 1991 upřesnila rozměry studny. Dno se nachází v hloubce 111,81 metrů. Proměnlivý profil šachty má nejmenší šířku 1, 8 m, v horní části až 4,5 m. Horizontální rozrážka na východní straně ve výši 3 metrů nade dnem má dvě větve. Celková délka levé větve činí 27 metrů, pravá větev je 14 metrů dlouhá. Zával do výše 18 metrů nade dnem překrýval sedmdesátimetrový sloupec vody. Stopy hloubení odstřelem jsou patrné od hloubky třiceti metrů.
Nálezy ze studny dokumentují dění na Špilberku od 2. poloviny 19. století. Jde především o různorodé předměty vojenské povahy, dále o doklady zdejších stavebních úprav (stavební a instalační materiál, kování, relikty nástrojů a nářadí) a konečně o předměty návštěvníků z posledních desetiletí, kdy se stal Špilberk sídlem Muzea města Brna a byl zpřístupněn veřejnosti.
Tajemný nález lidské kostry při průzkumu v roce 1991 vzrušil brněnskou veřejnost. Pozůstatky ležely v pravé větvi rozrážky nade dnem studny, v hloubce 110 metrů. Staly se předmětem multidisciplinárního zkoumání.
Předměty nalezené v blízkosti nebožtíka vročují tragickou událost do let 1858 až 1891. Jednokrejcarová mince milánské nebo vídeňské ražby z let 1858–1860, „přirostlá“ k vnitřní straně jeho levé lopatky, byla stažená z oběhu v roce 1891. Expertíza obuvi časově upřesňuje nález do let 1870–80. Podle odborných expertíz šlo o urostlého muže věku 20 – 24 let, vysokého 175 cm, s dokonale zdravým chrupem, patrně vojáka zdejších kasáren (boty, štítek čepice). Mladík do studny rozhodně nespadl, nýbrž zůstal zde po sestupu za neznámých okolností.
Na ně hledají historikové muzea odpověď v archivních pramenech. Zjistili, že drama, které se ve studni odehrálo, nebylo první. V roce 1833 se do ní zřítil při čerpání vody mladý vězeň – třiadvacetiletý zednický učeň Johann Radner, původem z rakouské obce Niederneukirchen. Jeho mrtvé tělo vytáhli spoluvězni. Za trestné činy loupeže a krádeže byl roku 1832 doživotně odsouzen k těžkému žaláři, avšak sám císař František I. změnil rozsudek na dvanáctiletý žalář na Špilberku, kam byl Radner dopraven téhož roku. Svého propuštění (1844) se tedy mladý vězeň nedožil.
