Thành cấu trúc theo kiểu hình vuông theo kiến trúc Vauban, mỗi bề tường dài 275m, cao 3,5m, dày 0,8m, diện tích 75.625m2. Ở giữa mỗi mặt thành có một vành bán nguyệt, giữa vành bán nguyệt đó là cửa, trên cửa xây tháp, mái ngói. Trong tường có một con đường nhỏ xung quanh dùng làm đường tiếp đạn lên thành. Bao bọc tường thành là một lớp hào sâu ngập nước.[11]

Gạch xây thành là loại có kích thước lớn hơn nhiều so với gạch chỉ hiện nay, làm bằng thứ đất có nhiều quặng sắt rất rắn (đặc trưng của kiểu gạch thời Lê). Phần gạch thời nhà Nguyễn là loại gạch nhỏ.[1] Trong thành chếch hướng bắc là núi Thổ (Thổ Sơn - núi đất) cao 50m, dốc đứng, phải qua 193 bậc đá mới lên tới đỉnh. Tương truyền, Thổ Sơn cũng chỉ đắp trong một đêm,[1] toàn bộ Thổ Sơn nằm gọn trong thành, phạm vi kiểm soát của cao điểm rất rộng. Cửa đông khống chế đường bộ duy nhất thời đó và sông Lô là tuyến đường thuỷ quan trọng khi chưa có phương tiện cơ giới trên bộ.

Trải qua nhiều biến động của lịch sử và sự phát triển của đô thị, Thành nhà Mạc đã bị xuống cấp nhiều. Do quá trình đô thị hóa, xuất hiện các tuyến đường cắt ngang khiến thành cổ bị chia cắt. Hiện nay thành chỉ còn lại một phần dấu vết khi xưa với hai cổng thành phía Tây và phía Nam đã đổ nát và một đoạn tường thành dài chưa đến 100m. Cổng Tây thành nằm trên địa phận tổ 8, phường Tân Quang, thành phố Tuyên Quang. Đoạn tường thành còn lại duy nhất nằm trên góc đường Bình Thuận và Cổng Lấp.