Первоначально мужчины, женщины и дети содержались в тюрьме в общих камерах; камеры площадью примерно 28 квадратных метров были рассчитаны на содержание 5 человек, в камеру выдавалась одна свеча на две недели, которая сгорала гораздо раньше, и оставшееся время заключённые находились во мраке и холоде.

В тюрьме содержались взрослые и дети с 7-летнего возраста, некоторые из заключённых были перевезены в Килмэнхем из Австралии. Женщины-заключённые содержались в условиях худших, чем мужчины. Один тюремный инспектор в 1809 году отметил, что заключенные-мужчины снабжены железными кроватями, в то время как женщины спят на соломе в камерах и общих залах. Полвека спустя произошло некоторое улучшение условий, но женские камеры, расположенные в Западном крыле тюрьмы, оставались переполненными.

За время своего существования тюрьма получила прозвище «Ирландской Бастилии», поскольку в ней содержались как осуждённые за уголовные преступления, так и видные деятели ирландского национализма и борцы за независимость Ирландии. Большинство лидеров восстаний 1798, 1803, 1848, 1867 и 1916 годов находились в заключении в Килмэнхеме. Здесь были казнены члены подпольной вооружённой группировки, убившие в 1882 году министра по делам Ирландии Фредерика Кавендиша. В тюрьме Килмэнхем в 1881—1882 годах также отбывал срок Чарльз Стюарт Парнелл вместе с большей частью своих парламентских коллег, и здесь же он подписал соглашение с правительством Уильяма Гладстона, получившее название Килмэнхемское соглашение.

В период войны за независимость Ирландии (1919—1921), в тюрьме Килмэнхем содержались многие противники договора с Великобританией, а во время гражданской войны 1922—1923 годов четверо противников Ирландской республики были расстреляны во дворе тюрьмы, после чего тюрьма Килмэнхем была закрыта по решению правительства Ирландского Свободного государства в 1924 году.

После провозглашения независимости Ирландии

В 1920-х годах неоднократно возникали предложения восстановить тюрьму Килмэнхем как место заключения, но окончательно от этих планов власти Ирландии отказались в 1929 году. В 1936 году правительство Ирландии рассмотрело предложение о сносе тюрьмы, но отказалось ввиду высокой цены работ. В конце 1930-х годов интерес к зданию проявила Национальная мемориальная ассоциация, предложившая сохранить его как музей и мемориал Пасхального восстания. В связи с началом Второй мировой войны реализация этого плана была отложена.

Экспертиза состояния здания, проведённая после войны, показала, что тюрьма находится в полуразрушенном состоянии. В связи с этим представители Министерства общественных работ предложили сохранить тюремный двор и ряд камер, а остальную часть здания снести, но это предложение не было принято. В 1953 году аппарат премьер-министра вновь рассмотрел предложение Национальной мемориальной ассоциация восстановить тюрьму и создать музей на месте, но никаких действий предпринято не было и состояние здания продолжало ухудшаться.

С конца 1950-х годов в Ирландии развернулось общественное движение за сохранение тюрьмы Килмэнхем. В 1958 году Лоркан Леонард, инженер из Дублина, с группой единомышленников, создал Общество восстановления тюрьмы Килмэнхем. Во избежание политических разногласий члены Общества изначально договорились, что проект восстановления тюрьмы не должен затрагивать события периода гражданской войны, а будет посвящён идее единой национальной борьбы за независимость Ирландии. Проект Леонарда и его единомышленников предусматривал восстановление тюрьмы и создание в ней музея за счёт добровольных пожертвований и труда волонтёров. Правительство Ирландии благосклонно отнеслось к этой инициативе. В феврале 1960 подробный план восстановления тюрьмы, предусматривавший, в частности, её развитие как туристической достопримечательности, получил одобрение министерства финансов Ирландии. В мае того же года состоялась символическая передача ключей от тюрьмы Попечительскому совету, в состав которого входило 5 человек, назначенных Обществом восстановления тюрьмы Килмэнхем, и 2 человека со стороны правительства. Попечительский совет обязался вносить номинальную арендную плату за здание тюрьмы в размере одного пенни в год на протяжении 5 лет с последующей передачей отреставрированного здания правительству. После этого команда из 60 волонтёров приступила к работам. К 1962 году от мусора и сорняков был полностью очищен двор тюрьмы, где проходили казни участников Пасхального восстания и почти полностью восстановлена часть тюрьмы викторианской эпохи. Здание тюрьмы было окончательно восстановлено в 1971 году, когда в тюремной часовне были отремонтированы пол и потолок, реконструирован алтарь, и она вновь открылась для посещений.

В настоящее время в здании тюрьмы действует музей по истории ирландского национализма, в нём проводятся регулярные экскурсии. На верхнем этаже здания расположена художественная галерея, где демонстрируются картины, скульптуры и ювелирные изделия, изготовленные в местах лишения свободы современной Ирландии.