I 1756 mistede staten tålmodigheden med Peyrembert, og samme år overdrog Frederik 5. virksomheden til Etatsråd Just Fabritius og Kancelliråd Johan Frederik Classen, mod at de herrer anlagde et krudtværk. Sammen med kanonsmedjen overtog de boremestersvend Lorenz Juncker, der sad inde med den fornødne ekspertise til at kunne anlægge et kanonstøberi. Få år efter blev det nye industrikompleks opkaldt efter kongen og fik navnet Frederiks Værk. Omkring værket opstod lidt efter lidt en by med arbejdere, håndværkere og et vist handelsliv. Ikke desto mindre understreger den gamle skrivemåde, at byens udgangspunkt netop var en virksomhed – et værk.
For staten var der både økonomiske og militære interesser i oprettelsen af Frederiks Værk. Landet havde problemer med betalingsbalancen, og man fandt at national selvforsyning var løsningen. Samtidig ønskedes en stabil forsyning af krigsmateriel, så Frederiks Værk blev om noget et militærindustrielt kompleks. Classen og Fabritius forpligtede sig til at levere bestemte mængder af krigsmateriel til den danske stat, men kunne derudover producere til eksport. Dette fik blandt andet betydning i værkets første år, hvor den preussiske syvårskrig 1756-63 betød god efterspørgsel af krigsmateriel fra Frederiks Værk. Krudt og kugler blev desuden brugt som gaver fra den danske stat til lande som Tunis, Algier og Marokko, mod at disse lande undlod at plyndre danske skibe langs deres kyster.
Krudtværket og kanonstøberiet var de absolutte hovedindustrier på Frederiks Værk, men etablissementet omfattede desuden et teglværk, kunstsmedje, sølvraffinaderi, nagelsmedje, reberbane, sabel- og knivfabrik, landbrugsmaskinfabrik og garveri. Dertil kom en lang række håndværksprægede værksteder, samt et kobbervalseværk der forpagtede sig ind på værket.
Værkets ejerforhold skiftede, men med Classen som dominerende figur frem til hans død i 1792. I Classens tid var der typisk mellem 200 og 300 ansatte på værket foruden 20-25 udkommanderede soldater, der tog sig af bevogtningsopgaver. Blandt de ansatte var flere udlændinge. Fra agatsliberiets tid havde det været nødvendigt at hente specialister i udlandet, og det behov fortsatte langt op i værkets historie.
Efter Classens død blev værket overtaget af kongemagten. Selvom der efter 1814 var tilløb til en privatisering af værkets industrier, blev en sådan først gennemført efter 1856. For krudtværket gjaldt, at det forblev på statens hænder og var i drift indtil 1965. Produktionen af jagtpatroner fortsatte endda i Frederiksværk helt op i 1990’erne.
Kanonstøberiet var allerede i 1830’erne gået bort fra at producere krigsmateriel. I stedet for blev det mere fredelige varer som kakkelovne, gryder, kedler, stegepander, æbleskivepander og kagejern, der udgjorde hovedproduktionen. Ved privatiseringen af værket i 1856 blev støberiet købt af Anker Heegaard, der hurtigt efter installerede en dampmaskine som supplement til den ustabile vandkraft.
Af de mindre virksomheder, der var en del af værket, er kobbervalseværket det bedst kendte. Det blev grundlaget i 1805 af englænderen Th. English. Produktionen bestod fortrinsvis af kobberplader til forhudning af skibe samt plader til Den kongelige Mønt. Kobbervalseværket var tidligt opmærksom på den nye teknologis muligheder og fik installeret sin første dampmaskine i 1829. Året efter var der 35 ansatte, som producerede kobberplader på 5 par valser.
I 1890 blev der anskaffet en ny og større dampmaskine og indlagt elektrisk lys, men fabrikken blev alligevel overhalet af ny teknologi og indlemmet i konkurrenten Nordisk Kabel og Tråd i 1907. Virksomheden blev herefter flyttet til København. Grundlæggerens privatbolig, Skjoldborg med sin gamle æblehave, er det eneste tilbageværende element i Frederiksværks bybillede af det engang så markante anlæg.