Thành nhà Hồ được các nhà khoa học nhận định là một trong số ít những thành đá còn sót lại trên thế giới. Ở Đông Nam Á đây là tòa thành bằng đá có giá trị nhất, độc đáo nhất và duy nhất còn lại.
Theo sử sách, chỉ trong vòng 3 tháng mùa xuân năm 1397 tòa thành kiên cố, đồ sộ có chu vi hơn 3.5 km với diện tích gần 77ha đã được hoàn thiện. Thành được xây dựng hình chữ nhật song các cạnh tương đối bằng nhau. Tường thành phía Nam và phía Bắc dài khoảng 877m, bức tường phía Tây dài 880m, còn phía Đông là 879.3m.
Tòa thành có 4 cổng dù không tương ứng với 4 hướng nhưng vẫn được gọi là Cửa Nam, Cửa Bắc, Cửa Đông, Cửa Tây với các vị trí tương ứng: Tiền, Hậu, Tả, Hữu. Trong đó cửa Nam là cửa chính (cửa Tiền) và được xây dựng công phu và rộng hơn cả. Đến nay, cổng còn nguyên vẹn nhất. Vì là cửa chính nên từ đây có con đường lát đá hoa chạy xuyên suốt trục bắc nam của thành và dẫn đến cuối đường là đàn tế Nam Giao của nhà Hồ.
Hồ Quý Ly chọn điểm xây thành tại An Tôn (nên thành có tên gọi khác là Thành An Tôn) - một vùng đất hẻo lánh, chật hẹp. Đây cũng là vùng đất có phong thủy rất đẹp để xây thành: Lưng tựa núi, mặt giáp sông. Phía Bắc thành là núi Thổ Tượng, Phía Đông là núi Hắc Khuyển, Phía Tây có núi Ngưu Ngọa, còn phía Nam là nơi hội tụ của Sông Mã và sông Bưởi đổ về. Bây giờ vẫn có hai con đường nhỏ nối cửa Đông với cửa Tây và cửa Bắc với cửa Nam tạo thành hình chữ thập và giao nhau tại tâm điểm của tòa thành.
Điều đặc biệt nhất của tòa thành chính là kỹ thuật xây dựng, một bằng chứng về sức lao động phi thường, khả năng sáng tạo tài hoa của nhân dân ta thời xưa.
Bốn cổng thành đều được xây dựng bởi những tảng đá xanh, đẽo gọt công phu, vuông vắn, mài hình muối cam tạo ra nhiều mặt phẳng. Những phiến đá này được xếp với nhau vừa khít mà không cần chất kết dính tạo thành các vòm mái theo hình chữ U. Tại mỗi cổng đều có ba cửa, một cửa to ở chính giữa và hai cửa phụ ở hai bên. Trong đó to nhất, đẹp nhất là Cửa Nam, với cửa giữa cao hơn 8m, rộng 5.8m, 2 cửa bên rộng 5m, cao 7.8m.
Mặt thành có đường đi rộng khoảng 4.5m, thoải dần vào trong. Tường thành cao trên 6m, được xây dựng bằng những viên đá lớn cỡ 2m x 1m x 0,7m. Phía ngoài ốp đá dựng đứng, mặt trong thành lèn đất chặt như nhà trình tường. Có những phiến đá rất to nặng chừng gần 20 tấn, tại cửa Tây có tấm đo được dài hơn 5m, rộng 2m, cao 1.3m. Bằng cách nào để đưa những phiến đá này lên cao, mài các cạnh vừa khít nhau trong quá trình xếp đá để xây thành, đến nay vẫn còn là bí ẩn với các nhà khoa học. Hiện nay, một số bi đá được tìm thấy khiến nhiều người giả thuyết, đây chính là công cụ được sử dụng để trượt những tấm đá khổng lồ lên trên.
Cuốn “Đại Nam nhất thống chí” nêu rõ, cùng với thành lũy kiên cố thành phần kiến trúc của tòa thành gồm có: Tường thành, cửa thành, hào thành, kiến trúc và các hồ nước. Hiện nay những hào thành sâu và rộng bên ngoài thành cùng với các hồ nước vẫn còn rất nhiều dấu tích đã và đang được nghiên cứu. Trong đó Giếng Vua tại khu vực đàn tế Nam Giao đã được khôi phục nguyên trạng. Cấu trúc giếng hình vuông, lòng hình tròn với chiều sâu 5.6m, có 9 bậc thành, chiều dài mỗi thành là 13m. Các bậc thành cao 30cm, rộng 30cm…