Kinh thành Hoa Lư gồm 2 vòng thành nằm cạnh nhau và một vùng núi kề sát. 3 vòng tạo thành hình giống số 80 hướng về phía đông. Theo cách bố trí thời Đinh Lê các nhà nghiên cứu chia làm 3 vòng thành là thành Đông, thành Tây và thành Nam. Tuy nhiên do thành Nam chỉ là vùng căn cứ quân sự hiểm trở, phòng thủ mặt sau mà nó thường được dân gian gọi riêng là thành Tràng An, 2 vòng thành kia là nơi đặt cung điện nên còn được gọi là thành Hoa Lư.

Kinh đô Hoa Lư được bao bọc bởi nhiều ngọn núi, các triều vua đã dựa theo địa hình tự nhiên cho đắp 10 đoạn tường thành nối các núi đá, dựng nên thành Hoa Lư thuộc xã Trường Yên với diện tích hơn 300 ha. Phía Nam thành Hoa Lư là thành Tràng An là khu vực phòng thủ hậu cứ của kinh đô. Thành Hoa Lư có rất nhiều cổng bộ để đi vào, bên cạnh đó còn có cổng thủy do sông Sào Khê chảy xuyên qua thành.[18] Thành Hoa Lư có hai vòng sát nhau: vòng thành ngoài gọi là thành Đông, vòng thành trong gọi là thành Tây.

Thành Đông

Thành Đông rộng khoảng 140 ha[19], nằm ở phía đông nên còn được gọi là thành ngoài hay thành ngoại, nay thuộc địa phận các làng cổ Yên Thành và làng cổ Yên Thượng, có 5 đoạn tường thành nối các dãy núi tạo nên vòng thành khép kín.

• Đoạn 1 nối núi Đầm với núi Thanh Lâu, được gọi là "tường Đông", dài 320m[20];
• Đoạn 2 từ núi Thanh Lâu đến núi Cột Cờ, dài 230m;
• Đoạn 3 từ núi Cột Cờ sang núi Chẽ, dài 300m;
• Đoạn 4 từ núi Chẽ đến núi Chợ, dài 300m;
• Đoạn 5 từ núi Mã Yên sang một núi hang Quàn, dài 200m.

Khu thành Ngoài là nơi làm việc hàng ngày của triều đình Hoa Lư. Ðây là cung điện chính mà khu vực Đền Vua Đinh Tiên Hoàng, đền Vua Lê Đại Hành nằm ở trung tâm.

Thành Đông hiện nay còn lại rất nhiều địa danh như chợ cầu Đông, cầu Dền, chùa Nhất Trụ, chùa Cổ Am, phủ Đông Vương, phủ Vườn Thiên, đình Yên Trạch, núi Mã Yên, núi Cột Cờ, sông Sào Khê (đoạn từ cầu Dền đến hang Luồn).v.v.

Thành Tây

Thành Tây có diện tích tương đương và nằm phía tây thành Đông, thuộc địa phận làng cổ Chi Phong, cũng có 5 đoạn tường thành nối liền các dãy núi:

• Đoạn 1 từ núi Hàm Sá đến núi Cánh Hàn, dài 100m;
• Đoạn 2 từ Cánh Hàn đến núi Hang Tó, dài 500m;
• Đoạn 3 từ núi Quèn Dót sang núi Mồng Mang, được gọi là "tường Bồ", dài 150m;
• Đoạn 4 từ núi Mồng Mang đến núi Cổ Giải, được gọi là "tường Bìm", dài 65m;
• Đoạn 5 đắp ngang thành trong.

Khu thành Tây là nơi ở của gia đình vua cùng một số người hoàng tộc và quan lại cao cấp của triều đình. Ngoài vua và số quan lại được quyền cư trú trên, ở thành ngoài và thành trong còn có các doanh trại của 3.000 quân cấm vệ bảo vệ vua và triều đình; dân chúng chỉ được cơ trú ngoài thành. Hiện nay ở thành Tây còn lại các di tích như chùa Kim Ngân xưa là nơi cất vàng bạc và ngân khố quốc gia, chùa Duyên Ninh là ngôi chùa cầu duyên, đền Bim, đền Vực Vông.v.v.

Việc qua lại giữa hai tòa thành rất thuận tiện. Cả hai thành đều lợi dụng được ưu thế sông Sào Khê chảy dọc thành, vừa là hào nước tự nhiên, vừa là đường thủy, phục vụ việc di chuyển ra vào thành. Một tổng thể kinh thành gồm hai tòa thành riêng biệt, rất thuận tiện cho việc bố trí từng khu triều đình, quan lại hay quân sĩ. Song việc qua lại giữa hai thành không vì vậy mà trở ngại. Thiên nhiên đã khéo bố trí một con đường kín đáo mà thuận tiện, đó là Quèn Vông, quãng tiếp giáp giữa núi Hang Sung và núi Quèn Dót. Ở mỗi tòa thành còn có một đoạn tường thành ngắn có thể chia làm hai phần, tăng thêm mức độ quanh co hiểm hóc cho công trình. Triều Đinh thành lập sau hàng ngàn năm Bắc thuộc, khi mà những mô hình thành lũy kiểu Hán ngang bằng sổ ngay, phương hướng tề chỉnh, quy cách xây dựng trở thành công thức, đã mọc lên không ít ở nhiều nơi. Nhưng thành Hoa Lư độc đáo được xây dựng lại không theo một khuôn mẫu Trung Quốc của bất cứ thời nào. Là một căn cứ quân sự, Hoa Lư đã đạt tới đỉnh cao về mức độ kiên cố, hiểm trở của một công trình phòng thủ. Có thể coi Hoa Lư là một công trình kiến trúc quân sự hiếm có trong lịch sử Việt Nam và cả trong lịch sử các nước khác đương thời. Hoa Lư là một tòa nhà điển hình cho phương pháp xây dựng lợi dụng địa thế tự nhiên. Cũng bởi lẽ đó mà thành Hoa Lư có dáng hình độc đáo, có đầy đủ tính chất kiên cố, hiểm trở của một công trình quân sự, lại thêm tính kỳ vĩ, hữu tình của một thắng cảnh.

Hiện nay thành thiên tạo vẫn còn, thành nhân tạo và cung điện chỉ còn là những dấu tích đang được khai quật. Các nhà khảo cổ đào một số đoạn tường thành phát hiện ở những khu vực này có móng thành bằng cành cây với nhiều cọc đóng xuống sâu. Phía trong của tường thành xây bằng gạch, dày đến 0,45 m, cao từ 8-10 mét. Chân tường kè đá tảng, gạch bó và đóng cọc gỗ. Loại gạch phổ biến có kích thước 30 x 16 x 4 cm, trên gạch thường có in các dòng chữ "Đại Việt quốc quân thành chuyên" và "Giang Tây quân". Phía ngoài tường gạch là tường đất đắp rất dày.

Thành Nam

Thành Tràng An nằm ở phía nam kinh thành Hoa Lư nên còn được gọi là thành Nam, có diện tích lớn hơn hai thành kia nhiều, hiện thành này nằm giữa ranh giới 2 huyện Gia Viễn, Hoa Lư với thành phố Ninh Bình. Thành Tràng An với núi cao, hào sâu hiểm trở, bảo vệ mặt sau thành Hoa Lư, từ đây quân lính có thể nhanh chóng cơ động vào ra bằng đường thủy. Tràng An hiện có rất nhiều di tích mô tả cách bố trí phòng tuyến của kinh đô Hoa Lư. Tại đây các nhà khảo cổ còn khai quật được các dấu tích của người tiền sử và nhiều cổ vật từ thời Đinh, Tiền Lê và thời Trần. Vào thời Trần sau này, nơi đây tiếp tục là cứ địa chống quân Nguyên Mông. Hiện tại đây là tuyến du lịch sinh thái - lịch sử thu hút nhiều nhà nghiên cứu địa chất và lịch sử đến làm việc.