Thành được thiết kế và xây dựng theo hình vuông với diện tích 160.000m2, mỗi mặt thành đều bố trí một cổng theo bốn phía đối diện (Nam, Bắc, Tây, Đông) và trên đó là một lầu canh gác (gọi là vọng lâu). Tường thành hình thang rộng phía chân, mỗi chiều dài 400m, cao 5m ghép bằng những tảng đá ong rắn chắc được gọt đẽo công phu, xây phẳng, có nhiều lỗ châu mai ở phía trên để quân sĩ có thể dùng súng bắn từ phía trong ra hoặc dùng dáo mác có cán dài để đâm địch nếu chúng trèo vào Thành. Ngoài tường chính vững chãi xây bằng đá ong ra, thành còn 2 lớp bên ngoài nữa để bảo vệ, tạo sự kiên cố cần thiết. Đó là một hệ thống hào sâu bao bọc với chu vi 20.000m, đường hào này sâu tới 30m, rộng 20m, có tác dụng đáng kể ngăn chặn sự xâm nhập từ bên ngoài vào. Ngoài cùng là lớp tường bảo vệ (gọi là la thành) bằng đất sét có mặt cắt hình ngũ giác bao quanh.

Thành cổ Sơn Tây

Phía bên trong thành gồm nhiều công trình quan trọng - các công trình này được sắp xếp theo hình đối xứng. Chính giữa là điện Kính Thiên đối diện với kì đài - đó là chiếc cột cờ có chiều cao 50m. Trong thành còn có nhiều dinh thự, ngục thất, kho lương thực, vũ khí và trại lính cùng với 4 giếng nước lớn hình vuông cũng xây bằng đá ong cứng. Điện Kính Thiên được thiết kế và xây dựng theo kiểu kiến trúc cung đình, nguy nga bề thế - là một công trình đẹp nhất trong thành - được các nhà nghiên cứu kiến trúc phương Tây nhận xét “là một kiệt tác của nền kiến trúc Việt Nam”.

Thành cổ Sơn Tây đã là chứng tích kì diệu trong cuộc chiến đấu oanh liệt của người dân Sơn Tây ngoan cường chống lại cuộc xâm lược với quy mô lớn của thực dân Pháp vào cuối năm Quý Mùi 1883 với 8.000 quân được trang bị vũ khí tối tân dưới sự chỉ huy của Thủy sự Đô đốc Courbet.

Thành cổ còn là niềm tự hào về sức lao động cần cù, trí sáng tạo của người dân với đá ong gọt đẽo tại chỗ đã xây dựng nên một công trình nổi tiếng từ gần 200 năm trước. Thành cổ Sơn Tây là một biểu hiện về tài thao lược quân sự của triều đình phong kiến Việt Nam trong việc bố trí phòng vệ đất nước, xứng đáng là một trong bốn thành cổ lừng lẫy trong lịch sử Việt Nam (cùng với thành Kinh Bắc ở Bắc Ninh, thành Kinh Đông ở Hải Dương và thành Nam ở Nam Định). Đây còn là một Di tích lịch sử Cách mạng bởi khi cuộc kháng chiến toàn quốc bùng nổ, tháng 12/1946 Chính phủ đã về họp tại một địa điểm trong thành, bàn về những việc trọng đại của đất nước trong cuộc chiến đấu 9 năm gian lao và anh dũng.

Thành cổ Sơn Tây được đánh giá là thành cổ duy nhất còn nguyên vẹn trong các thành cổ còn lại trên nước ta. Di tích lịch sử này đang được Trung ương và địa phương bảo vệ và tôn tạo, xứng đáng với vị trí chiến lược của nó thời kì “Sơn thành máu lửa” cuối thế kỉ XIX trong cuộc chiến đấu anh dũng chống ngoại xâm của dân tộc Việt Nam.