Roedd Deddf Carchardai 1865 yn nodi rheolau llym o ran dyluniad carchardai, celloedd, llafur caled, cadw carcharorion ar eu pennau eu hunain, ymborth a gweinyddiaeth. Gan nad oedd Carchar Rhuthun yn cydymffurfio â^'r safonau newydd sefydlwyd Pwyllgor Carchar Rhuthun ym mis Ionawr 1866 a phenderfynwyd adeiladu adain newydd pedwar llawr. Erbyn 15 Mawrth roedd cynlluniau'r estyniad yn barod a gorchmynwyd fod:

"...ordered that such part of the walls of the present gaol as require to be altered in order to carry out the intended improvements... be pulled down at once by the prisoners under the direction of the County Surveyor."

Gan ddilyn steil carchar Pentonville (adeiladwyd 1840-42), roedd lle i hyd at gant o garcharorion yn y carchar newydd a chost yr adeilad oedd £12,000.

Ar 1 Ebrill 1878 daeth Carchar Sirol Rhuthun yn Garchar ei Mawrhydi Rhuthun yn gwasanaethu Sir Ddinbych, Sir y Fflint a Sir Feirionnydd. Gwnaed rhagor o addasiadau i wella'r amodau i ferched ac enillodd y carchar enw rhagorol iddo'i hun.

Yn 1904 roedd 81 o ddynion a 6 dynes yn y carchar.

Cadwyd carcharorion yn y carchar tan 1916 pan gafodd ei gau gan y Comisiynwyr Carchar. Trosglwyddwyd tri ar ddeg o swyddogion carchar i Garchar Amwythig. Prynodd y Cyngor Sir yr adeilad am £4,000 yn 1926, a defnyddiwyd rhannau o'r adeilad fel swyddfeydd a llyfrgell. Yn ystod yr Ail Ryfel Byd defnyddiwyd yr adeilad fel ffatri arfau rhyfel.