ロシアの南下と蝦夷地直轄化（第一次）

18世紀後半、ロシアのラクスマンやレザノフらが日本へ来航し通商を求めてくるようになると、江戸幕府はそれまで松前藩に委ねていた北方支配のあり方を見直す必要に迫られた。寛政の改革を主導した松平定信らのもとで蝦夷地への調査や警戒が強まり、幕府は1799年（寛政11年）に東蝦夷地を仮直轄地（公領）とした。

そして1802年（享和2年）、東蝦夷地を本格的に幕府直轄領としたことにともない、現地支配と北方防備を担う役職として「蝦夷地奉行」が設置され、同年のうちに箱館奉行へと改称された（第一次）。さらに1807年（文化4年）には、ゴローニン事件などに代表されるロシアとの緊張の高まりを受けて西蝦夷地も直轄化され、奉行所は松前に移されて「松前奉行」へと改称・統合された。しかし、その後ロシアの関心が欧州情勢（ナポレオン戦争など）に移り緊張が緩和したことや、松前藩による復領運動もあり、1821年（文政4年）に幕府は蝦夷地を松前藩へ返還し、奉行職を廃止した。

開国にともなう再置と五稜郭の建設（第二次）

1854年（安政元年）、日米和親条約の締結によって箱館が下田とともに開港地として指定されると、幕府は再び蝦夷地の直轄化を決定し、箱館奉行を再置した（第二次）。この時期の箱館奉行は、北方警備のみならず、来航する外国船の応対や居留地の整備、貿易の管理といった「外交窓口」としての極めて重要かつ多忙な任務を負うこととなった。

また、従来の箱館港近くにあった奉行所は艦船からの艦砲射撃に対して無防備であったため、内陸部への移転が計画された。こうして、蘭学者・武田斐三郎の設計による日本初の西洋式星型要塞である五稜郭が建設され、1864年（元治元年）にその内部へと奉行所が移転した。幕末期の箱館奉行（栗本鋤雲や小出秀実など）は、蝦夷地の産業振興や開拓、さらにはロシアとの国境画定交渉などに奔走したが、1868年（慶応4年）の明治維新にともなう戊辰戦争（箱館戦争）を経て新政府軍に接収され、その役割を終えた。