Ban đầu, thành có tên là Trấn Hải đài (鎮海臺), được xây dựng vào năm 1813, thời vua Gia Long, nhằm canh phòng, bảo vệ hải phận biển Thuận An. Để xây dựng, triều đình nhà Nguyễn đã huy động hàng trăm binh sĩ dưới sự giám sát thi công của quan đại thần Nguyễn Đức Xuyên.

Thành được xây dựng bằng gạch vồ theo kiến trúc hình tròn với chu vi 71 trượng 2 thước (302 m), tường thành cao 15 thước (4,4 m). Tường thành dày 12,60m. Thành có hai cửa gồm cửa chính ở mặt trước và cửa phụ ở mặt sau. Phía ngoài chân thành có thêm hệ thống hào bao với chiều rộng 9 m, sâu 2,4 m. trên bờ hào trước đây trồng hàng ngàn cây dừa để chống sụt lở đất.[1]

Các kiến trúc trong thành có các thành phần chính như phòng thành, pháo đài, giác bảo, ụ súng, tường bắn, hào, các hầm chứa lương thực, vũ khí...

Vào các năm 1830, 1831, 1832, vua Minh Mạng đã cho tu bổ Trấn Hải đài, đặc biệt là đắp thêm 39 ụ để súng[2] để tăng cường khả năng phòng thủ quanh thân thành vào năm 1831. Năm 1834, vua Minh Mạng đã cho đổi tên thành Trấn Hải thành. Ngày nay, ba chữ Trấn Hải thành (鎮海城) được khắc trên đá thanh hình chữ nhật gắn ở cổng phía nam thành còn nguyên vẹn. Ngoài ra, vua Minh Mạng còn cho xây dựng thêm một tòa lầu với tên gọi là Quan Hải lâu (觀海樓) dùng để quan sát theo dõi mặt biển. Bên trong Quan Hải lâu đặt nhiều ống kính thiên lý phục vụ cho việc quan sát, canh phòng mặt biển từ xa, theo dõi tàu thuyền qua lại ngoài khơi và ra vào cửa khẩu.[1]

Năm 1840, theo lệnh vua Minh Mạng, lầu Quan Hải có thêm chức năng làm hải đăng cho tàu thuyền qua lại vùng biển này, với một chiếc đèn lồng "chu vi trên dưới 7-8 thước (khoảng 3m), trong bồi giấy trắng, ngoài bồi bằng lụa mỏng", treo trên chòi cao cột cờ và được thắp sáng hàng đêm.[1]