Thành Tây Đô bao gồm 2 vòng: vòng ngoài (Thành Ngoại) và vòng trong (Thành Nội). Thành Ngoại được đắp bằng đất với thể tích lên tới 100.000 m3 và có trồng tre gai dày cùng hào sâu vòng quanh rộng 10 - 20 m, cách tường thành ngoài 50 m, tạo thành chướng ngại vật để tăng cường tính phòng thủ. Bên trong Thành Ngoại là Thành Nội, có mặt bằng hình chữ nhật có kích thước gần vuông. Các số liệu về kích thước thành ghi chép trong sử sách không thống nhất. Phương pháp đo đạc thủ công cho kết quả khoảng 860 m, chênh lệch gần 20 m so với cách đo bằng máy móc hiện đại. Thành Nội cao đến 7 - 8 m, riêng tường chính phía Nam có độ cao 10 m. Mặt ngoài Thành Nội được xây từ đá khối theo chiều hơi nghiêng, càng lên cao các phiến đá càng nhỏ lại, còn mặt trong đắp đất nện chắc theo kiểu dốc thoải. Bốn cổng thành theo hướng chính Đông, chính Tây, chính Nam và chính Bắc, được đặt tên. Cổng Tiền là Cửa Nam, Cổng Hậu là Cửa Bắc, Đông Môn và Tây Môn. Các cổng xây theo kiểu vòm cuốn, đá xếp múi bưởi. Trong số 4 cổng thì cổng lớn nhất là Cổng Nam, gồm 3 cửa cuốn dài 33,8 m, cao 9,5 m, rộng 15,2 m. Phiến đá to nhất dài chừng 7m, cao 1,5 m, nặng cỡ 25 tấn, còn các tảng đá trung bình kích thước phổ biến là 2 m x 1 m x 0,7 m. Trong quá trình xây dựng thành, các tảng đá đa số nặng 15 - 20 tấn được đẽo gọt khá vuông vức và nhẵn nhụi, sau đó được nâng cao đến cỡ chục mét và ghép nối khít với nhau, không dùng chất kết dính.