Il a été construit de 1875 à 1879 puis modernisé en 1888 puis de 1903 à 1914. S'étendant sur 40 000 m2, il présente un raccourci saisissant de 40 années de fortification.
Le camp retranché de Toul venait clore le rideau défensif des Hauts de Meuse. La déclaration d'utilité publique (DUP) du 16 avril 1874 prévoit de le protéger par quatre forts : Écrouves, Domgermain, Saint-Michel et Villey-le-Sec. Le fort de Villey-le-Sec devait verrouiller l'accès sud-est de la ville. Il était placé sur le plateau de Haye, appuyé au sud sur les côtes escarpées creusées par la Moselle. Sa position était initialement prévue 1 000 m plus à l'ouest, sur l'emplacement actuel de la redoute de Chaudeney.
L'étude commença à partir du 5 décembre 1873 et la construction le 26 juillet 1875. Les travaux, confiés à l'entreprise Morel, durèrent quatre ans et nécessitèrent des centaines d'ouvriers. C'est le fort le plus onéreux de la région.
En 1885 la mise au point des obus à mélinite rend obsolète les fortifications en pierre. Il est nécessaire de renforcer le fort de Villey à l'aide de béton et de cuirassements en métal. On estime aussi que l'artillerie n'est plus suffisamment protégée par le fort et on la disperse sur le plateau.
En 1890, on ajouta aussi quatre casernes en béton spécial : dans le réduit, le redan et les deux batteries.
Vers 1900, un champ de tir est créé à Gondreville, en bordure de la forêt de Haye, pour tester les armes du fort. Un autre, dans le bois de l'Embanie, servait de camp d'entraînement pour les militaires2. En 1912, des travaux débutent pour équiper le fort d'une batterie équipée de deux tourelles de 155 mm. Ils sont interrompus par la Première Guerre mondiale.

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