Thành Cổ Loa được xây bằng đất do thời ấy ở Âu Lạc chưa có gạch nung. Thành có 3 vòng. Chu vi ngoài 8 km, vòng giữa 6,58 km, vòng trong 1,6 km... Diện tích trung tâm lên tới 2 km². Thành được xây theo phương pháp đào đất đến đâu, khoét hào đến đó, thành đắp đến đâu, lũy xây đến đó. Mặt ngoài lũy dốc thẳng đứng, mặt trong thoải để đánh vào thì khó, trong đánh ra thì dễ. Lũy cao trung bình từ 4-5 m, có chỗ 8–12 m. Chân lũy rộng 20–30 m, mặt lũy rộng 6–12 m. Khối lượng đất đào đắp ước tính 2,2 triệu mét khối.

Thành nội hình chữ nhật, cao trung bình 5m so với mặt đất, mặt thành rộng từ 6-12m, chân rộng từ 20-30m, chu vi 1.650m và có một cửa nhìn vào tòa kiến trúc Ngự triều di quy. Thành trung là một vòng thành không có khuôn hình cân xứng, dài 6.500m, nơi cao nhất 10m, mặt thành rộng trung bình 10m, có năm cửa ở các hướng đông, nam, bắc, tây bắc và tây nam, trong đó cửa đông ăn thông với sông Hoàng. Thành ngoài cũng không có hình dáng rõ ràng, dài hơn 8.000m, cao trung bình 3-4m (có chỗ tới hơn 8m). Phía ngoài thành này có hào bao bọc bốn phía. Riêng phía nam không có hào vì con sông Hoàng chảy qua đây. Sở dĩ tường thành cổ quái như vậy là vì người xưa đã biết tận dụng triệt để những gò đất tự nhiên, đắp nối chúng lại để làm tường thành.
Tương tự như tường ngoài, tường giữa cũng được xây dựng theo cách đắp nối các gò đống tự nhiên thành một vòng tường không có hình dạng cụ thể, do vậy khoảng cách giữa hai vòng thành không đều nhau. Càng về phía nam hai vòng càng gần nhau, cuối cùng được nối liền, chừa một khoảng trống làm cửa thành (cửa Trấn Nam) - lối vào chính.