Ulm verdankt seine militärische Bedeutung im 19. Jahrhundert der Entscheidung des Deutschen Bundes, die Stadt an der Donau zu einem zentralen Waffenplatz auszubauen. Nachdem die Rheinkrise von 1840/41 die Verteidigungsfrage neu gestellt hatte, genehmigte die Bundesversammlung am 26. März 1841 den Bau der Bundesfestungen Ulm und Rastatt. Von 1842 bis 1859 entstand unter dem preußischen Festungsbaudirektor Moritz von Prittwitz und Gaffron eine polygonale Anlage mit einer Hauptumwallung von rund neun Kilometern, an der zeitweise bis zu 10.000 Arbeiter tätig waren. Mit geschätzten Baukosten von 16,5 Millionen Gulden galt Ulm als die größte Befestigung des 19. Jahrhunderts in Europa. Auf dem bayerischen Donauufer wurde Neu-Ulm als Brückenkopf in das System einbezogen; die dortigen Arbeiten leitete ab Dezember 1843 Major Theodor von Hildebrandt.
Die Festung war von Beginn an ein Gemeinschaftswerk mehrerer Staaten: Württemberg, Bayern und Österreich sollten die Friedensgarnison stellen. Mit der Auflösung des Deutschen Bundes zog die österreichische Besatzung am 16. Oktober 1866 ab, ein Vertrag zwischen Bayern und Württemberg regelte 1868 die neuen Verhältnisse. Nach der Reichsgründung 1871 übernahm das Deutsche Reich die Anlage und führte sie als Reichsfestung weiter, belegt mit württembergischen und bayerischen Truppen. Im Kaiserreich wurde die Festung mehrfach modernisiert: 1881 bis 1887 entstanden die Biehler-Forts auf dem Oberen Eselsberg, ab 1900 erzwang die fortschreitende Geschütztechnik Verstärkungen durch weitgehend in die Erde eingesenkte Betonwerke, und 1914 erfolgte eine letzte Armierung, deren vorgeschobener Ring nicht mehr vollendet wurde.
Die Gesamtanlage umfasste auf württembergischer Seite 28 Werke, in Neu-Ulm eine Stadtumwallung mit neun Werken sowie einen Gürtel von 14 Außenforts. Kernwerk war die 1842 bis 1849 unter Major von Erhardt errichtete Wilhelmsburg, ein Reduit von 200 mal 130 Metern, das rund 7.000 Mann aufnehmen konnte und im Kaiserreich als Kaserne diente. Zu den größten Außenwerken zählten das Fort Albeck mit 1.340 Mann sowie die Forts auf dem Unteren und Oberen Kuhberg. Zwar wurden Teile der Stadtfronten bereits 1904 bis 1925 abgetragen und der Festungsstatus 1938 aufgehoben, doch blieb vieles erhalten: Das vollständig restaurierte Fort Oberer Kuhberg beherbergt heute ein Dokumentationszentrum, das an seine Nutzung als frühes Konzentrationslager 1933 bis 1935 erinnert; die Wilhelmsburg gehört seit 1986 der Stadt und dient dem Theater Ulm für Freilichtaufführungen; der 1974 gegründete Förderkreis Bundesfestung Ulm bietet regelmäßige Führungen an.
Als Garnisonsstadt gehörte Ulm zum Bereich des XIII. (Königlich Württembergischen) Armee-Korps, dessen Generalkommando in Stuttgart saß. In Ulm selbst befand sich 1914 das Kommando der 27. Division (2. Königlich Württembergische) mit den Stäben der 53. und 54. Infanterie-Brigade, der 27. Feldartillerie-Brigade und der 27. Kavallerie-Brigade. An Truppenteilen lagen hier das Grenadier-Regiment „König Karl“ (5. Württembergisches) Nr. 123, das in der Wilhelmsburg kaserniert war, das Infanterie-Regiment „Kaiser Wilhelm, König von Preußen“ (2. Württembergisches) Nr. 120, das 9. Württembergische Infanterie-Regiment Nr. 127 in Ulm und Wiblingen, ferner das Feldartillerie-Regiment „König Karl“ (1. Württembergisches) Nr. 13, das 3. Württembergische Feldartillerie-Regiment Nr. 49 und das Württembergische Pionier-Bataillon Nr. 13. Auf der bayerischen Seite in Neu-Ulm stand unter anderem das 12. Infanterie-Regiment „Prinz Arnulf“ — die Doppelstadt vereinte damit Kontingente zweier Bundesstaaten.
Neben dem Militär prägte ein herausragendes Bauereignis das Ulm des Kaiserreichs: die Vollendung des Münsterturms. Nach 301 Jahren Unterbrechung war der Weiterbau des Münsters 1844 wieder aufgenommen worden, zunächst unter Münsterbaumeister Ferdinand Thrän, ab 1871 unter Ludwig Scheu. 1885 begannen die Arbeiten am Ausbau des Hauptturms, der am 31. Mai 1890 mit dem Aufsetzen der Kreuzblume abgeschlossen wurde. Mit 161,53 Metern war der Turm fortan der höchste Kirchturm der Welt; am 28. Juni 1890 feierte die Stadt die Vollendung mit einer Aufführung von Mendelssohns „Elias“ durch 320 Sänger.
Wirtschaftlich blieb Ulm eng mit der Donau verbunden: An der Herdbrücke landeten Illerflöße mit Bau- und Brennholz, und die in Ulm gebauten „Ulmer Schachteln“ bedienten die Donauschifffahrt stromabwärts. Die Stadt, seit 1810 württembergische Grenzstadt gegenüber dem bayerischen Neu-Ulm (Stadtrecht 1869), wuchs im Kaiserreich kräftig: von 26.290 Einwohnern im Jahr 1871 über 42.982 um 1900 auf 56.109 im Jahr 1910. Festung, Garnison und Münsterturm machten Ulm bis 1918 zu einem militärischen wie bürgerlichen Zentrum des deutschen Südwestens.
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