Năm 1804, vua Gia Long hạ chiếu chỉ di dời lị sở của trấn Thanh Hoá từ làng Dương Xá, xã Thiệu Dương, huyện Thiệu Hóa đến làng Thọ Hạc, huyện Đông Sơn, đồng thời tiến hành xây dựng thành trấn lị. Trấn thành Thanh Hóa hình lục lăng, có chu vi 630 trượng (gần 2,6 km), cao 1 trượng (4 m), có hào bao quanh mặt ngoài. Thành mở 4 cửa: Cửa tiền phía Nam, cửa hậu phía Bắc, cửa tả phía Đông Nam, cửa hữu phía Tây Nam. Trong Thành là nơi ăn ở, trị vì của các quan đầu tỉnh.

Về Hạc Thành, Đồng Khánh dư địa chí viết: Thành tỉnh ở địa phận xã Thọ Hạc huyện Đông Sơn. Thành xây bằng gạch đá, chu vi 630 trượng (có lẽ 2960 m), cao 1 trượng (Có lẽ là 4,7 m), có 4 cửa, hào rộng 9 trượng 3 thước (có lẽ 43,7 m) sâu 7 thước (có lẽ 3,3 m). Các vệ Tuyên Vũ, Hùng Vũ, Nhuệ Vũ bao vòng phía trước; Quảng Vũ, Nghĩa Vũ bao vòng phía sau; Túc Vũ, Công Vũ bao vòng bên trái; Trang Vũ, Kiện Vũ, Cương Vũ bao vòng bên phải. Đồn thuỷ quân ở địa phận Nam Ngạn, hai vệ Tả, Hữu đóng ở đây. Đàn Xã tắc ở phía tây bắc thành. Đàn Tiên Nông ở phía đông nam thành. Đàn Sơn xuyên ở phía tây nam thành. Văn miếu ở phía đông bắc thành. Miếu Hội đồng ở phía nam thành. Vũ miếu ở phía tây thành. Học xá ở phía nam thành. Trường thi ở phía đông bắc thành.

Giống như các hào lũy xây dựng đầu triều Nguyễn Gia Miêu, thành có kiến trúc Vauban. Kiểu cấu trúc phòng ngự lợi hại, từng được thử thách ở Diên Khánh trước quân Tây Sơn (và ở Quy thành Sài Gòn trước chính quân đội Nguyễn).

Thời thuộc Pháp, tỉnh Thanh Hoá thuộc quản lý của triều đình Huế, có dinh công sứ Pháp bên ngoài Hạc Thành; trong thành có các chức quan đầu tỉnh là tổng đốc, bố chính và án sát.