Theo sử liệu, thành nhà Hồ bắt đầu được khởi công xây dựng vào tháng giêng năm Đinh Sửu (1397) niên hiệu Quang Thái thứ 10, đời vua Thuận Tông của vương triều nhà Trần. Người quyết định việc xây thành là Hồ Quý Ly, khi đó là quan Nhập nội phụ chính Thái sư Bình chương quân quốc, tước Tuyên trung Vệ quốc Đại vương tức ngôi vị Tể Tướng nắm giữ mọi quyền lực của triều đình. Dưới sự chỉ đạo rốt ráo của Tể tướng Hồ Quý Ly, chỉ trong vòng hơn 3 tháng thành đã được cơ bản xây xong. Đến tháng 3 năm Canh Thân (1400), Hồ Quý Ly lên ngôi vua, chấm dứt 175 năm trị vì của nhà Trần và thành đá An Tôn chính thức là kinh đô của nhà Hồ và được gọi là thành Tây Đô.

Mặt trước cổng vòm hướng Nam (cổng tiền)

Thành được xây dựng ở vị trí khá hiểm yếu nằm giữa sông Mã và sông Bưởi, có hào nước bao quanh theo lối “thành cao, hào sâu”. Hệ thống hào nước bao quanh thành có chiều rộng từ 10 đến 20 mét, sâu từ 2-4 mét, có núi non hiểm trở che chắn chung quanh, vừa có ý nghĩa chiến lược phòng thủ, vừa phát huy được các ưu thế về giao thông đường thủy cũng như đường bộ. Thành nội có hình chữ nhật. Chiều Bắc-Nam dài 870,5 mét; chiều Đông-Tây dài 883,5 mét. Thành nhà Hồ có 4 cổng ra vào theo 4 hướng Đông, Tây, Nam, Bắc. Cửa hướng Nam được gọi là Cổng Tiền; cửa hướng Bắc gọi là Cổng Hậu; cửa hướng Đông gọi là Tả Đông môn; cửa hướng Tây gọi là Hữu Tây giai. Tất cả các cổng đều xây theo kiểu hình vòm cuốn. Cửa hướng Nam là Cổng Tiền nên được xây to nhất gồm 3 cửa cuốn có chiều dài 33,8 mét, chiều rộng 15,17 mét, chiều cao 1,5 mét.

Tất cả các tường thành và vòm cuốn của 4 cổng đều sử dụng những tảng đá xanh hình khối lập phương chữ nhật có chiều dài đến 7 mét, chiều rộng 4 mét, chiều cao 1,5 mét và có trọng lượng từ 15 tấn đến 20 tấn/tảng. Hai mặt tường thành được xếp những tảng đá lớn chồng lên nhau thẳng đứng, ở giữa nhồi đất nện kĩ và theo sử liệu, phải sử dụng khoảng 20.000 m3 đá, 100.000 m3 đất để đắp tường thành. Tường thành có độ dày từ 4 mét đến 6 mét, chân thành rộng khoảng 20 mét. Các vòm cổng được tạo nên bởi các khối đá lớn xếp theo hình múi bưởi. Điều đặc biệt là không hề có bất kì một loại chất kết dính nào giữa các khối đá mà đơn giản là nó chỉ chồng xếp lên nhau một cách tự nhiên. Chính vì đặc điểm đó mà thành đá nhà Hồ thể hiện một trình độ kĩ thuật rất cao về xây dựng tường thành nói chung và xây dựng các vòm cổng nói riêng. Đến nay đã 625 năm mà các tường thành đá, các vòm cổng đá vẫn còn “trơ gan cùng tuế nguyệt”, đứng vững giữa đất trời. Di tích thành đá nhà Hồ còn lại gồm 4 cổng thành bằng đá cuốn, các đoạn tường thành xây bằng đá và Đàn tế Nam Giao.

Thành nhà Hồ là tòa thành đá độc đáo nhất hiện còn lưu giữ được ở nước ta nói riêng, ở khu vực Đông Nam Á nói chung và là một trong rất ít các tòa thành đá trên thế giới, là tòa thành đá hiếm hoi được xây dựng mà không cần phải dùng đến chất kết dính. Nó là niềm tự hào về kĩ thuật xây thành đá của cha ông

Năm 1962, thành nhà Hồ được Thủ tướng Chính phủ xếp hạng là Di tích Quốc gia đặc biệt. Ngày 27/6/2011, thành nhà Hồ được Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hợp quốc (UNESCO) công nhận là Di sản Văn hóa thế giới.