Em 1615, com o tráfico intenso do pau-brasil na região, o então governador do Rio de Janeiro, Constantino Meneláu, se interessou por esta fonte de riqueza.

Associando-se secretamente aos ingleses Meneláu combateu navios holandeses em defesa da região, voltou a Cabo Frio para expulsar os ingleses que o haviam enganado e ocupou a fortaleza-feitoria na ilha (Casa de Pedra), utilizada anteriormente por portugueses e franceses. Até que, Menelaú recebeu ordens do Rei Filipe III, da Espanha, para retornar mais uma vez à região e estabelecer um povoado.

Mais de 400 pessoas, incluindo brancos e índios, levantaram a Fortaleza de Santo Inácio e fundaram a Cidade de Santa Helena do Cabo Frio - a sétima mais antiga do Brasil, construída em 13 de novembro de 1615 e hoje conhecida como Cabo Frio.

Em 1616, Estevão Gomes, rico fazendeiro e comerciante de escravos africanos no Rio de Janeiro, foi nomeado capitão-mór de Cabo Frio e transferiu o sítio da povoação colonial para o atual bairro da Passagem, rebatizando-o como Cidade de N. Sra. da Assunção do Cabo Frio. Também iniciou o desmonte da fortaleza de Santo Inácio, durante a construção do Forte São Matheus, finalizada em 1620.

Estevão distribuiu grandes áreas de terras a meia dúzia de amigos e apadrinhados, favorecendo a formação de latifúndios. Em 1617 Estevão apoiou a fundação da Aldeia de Índios de São Pedro do Cabo Frio pelos jesuítas, atualmente conhecida como São Pedro da Aldeia. Esta abrigou 500 tupiniquins catequizados, com o objetivo de evitar desembarques inimigos na costa.

A defesa da costa sudeste do país, manobrada pela guarnição da fortaleza da barra e pelas tropas indígenas, derrotou tentativas de desembarques inglês e holandês em 1617, 1618 e 1630, abrindo as portas para a elevação da cidade a sede da Capitania Real do Cabo Frio em 1619 e à conquista do norte fluminense, com a submissão dos índios goitacazes a partir de 1631.

Os poucos habitantes da região se dedicavam à pesca e à exploração das salinas naturais da lagoa, enquanto os donos de terras, especialmente jesuítas e beneditinos, estabeleceram fazendas de gado em Bacaxá, Parati, São Matheus, Búzios e Macaé. Escravos africanos e índios trabalhavam nestas fazendas, dedicando-se à agricultura, pesca, caça e coleta de subsistência.

Entre 1629 e 1630, em virtude da falta de investimentos urbanos da Coroa portuguesa, os primeiros pescadores portugueses que se fixaram na região retiraram-se, procurando uma vida melhor nas barras dos rios Macaé e Paraíba do Sul.

Em torno de 1640 ocorreu a liberação de Portugal do domínio espanhol.

No ano de 1645, a situação continuava difícil e mesmo os degredados, que vieram do Rio de Janeiro para povoar a cidade, fugiram para os Campos dos Goitacazes à procura de terras e trabalho livre.

A Cidade de Cabo Frio inviabilizou-se porque a barra de navegação (Canal do Itajurú) estava semi-entupida e a fortaleza sem guarnição e sem armamentos. O monopólio real proibia a comercialização do pau-brasil e do sal e o capitão-mór, Estevão Gomes, concentrava em suas mãos os poderes militar, executivo, legislativo e judiciário.

Entre 1650 e 1660, houve um grande desabastecimento do sal português no Brasil. Esta crise chamou a atenção metropolitana para a cristalização natural do produto na lagoa de Araruama. Novo impulso foi então dado à economia da região com a criação de diversas salinas. É deste período a construção da Igreja de N. Sra. da Assunção, o sobrado da Câmara e a cadeia, que formavam o largo da Matriz, onde fincou-se o Pelourinho.

Em meados de 1660, o interesse de investimentos consolidou-se na Cidade de Cabo Frio. A seguir, os beneditinos receberam uma sesmaria urbana, dando origem ao bairro de São Bento e, trinta anos depois, em 1696, os franciscanos inauguraram o convento de N. Sra. dos Anjos, próximo à fonte do Itajurú, no perímetro histórico do novo centro administrativo, religioso e colonial.

O desenvolvimento urbano de Cabo Frio novamente parou no final do século XVII.

Para solucionar a crise econômica instaurada, a Câmara passou a arrendar as praias para pescaria de arrasto e a estimular a formação dos antigos núcleos de povomento em Arraial do Cabo e em Búzios. Foram construídos dois engenhos para a produção de aguardente em Araruama e foi erguida, pelos jesuítas, a Fazenda Campos Novos. Este tornou-se mais tarde um estabelecimento agropecuário modelo e foco importante de colonização do atual Distrito de Tamoios. Inicialmente a fazenda foi destinada à criação de gado para o abastecimento de açougues cariocas e à lavra de ouro das Minais Gerais.