Thành Cổ Loa theo tương truyền gồm 9 vòng xoáy trôn ốc, nhưng căn cứ trên dấu tích hiện còn, các nhà khoa học nhận thấy thành có 3 vòng, trong đó vòng thành nội rất có thể được làm về sau, dưới thời Ngô Quyền. Chu vi vòng ngoài 8 km, vòng giữa 6,5 km, vòng trong 1,6 km, diện tích trung tâm lên tới 2 km². Thành được xây theo phương pháp đào đất đến đâu, khoét hào đến đó, thành đắp đến đâu, lũy xây đến đó. Mặt ngoài lũy dốc thẳng đứng, mặt trong thoải để đánh vào thì khó, trong đánh ra thì dễ. Lũy cao trung bình từ 4–5 m, có chỗ cao đến 8–12 m. Chân lũy rộng 20–30 m, mặt lũy rộng 6–12 m. Khối lượng đất đào đắp ước tính 2,2 triệu mét khối.
Một đoạn tường thành mùa lễ hội.
Thành nội hình chữ nhật, cao trung bình 5 m so với mặt đất, mặt thành rộng từ 6–12 m, chân rộng từ 20–30 m, chu vi 1.650 m và có một cửa nhìn vào tòa kiến trúc Ngự triều di quy.
Thành trung là một vòng thành không có khuôn hình cân xứng, dài 6.500 m, nơi cao nhất là 10 m, mặt thành rộng trung bình 10 m, có bốn cửa ở các hướng đông, bắc, tây bắc và tây nam, trong đó cửa đông ăn thông với sông Hồng.
Thành ngoại cũng không có hình dáng rõ ràng, dài hơn 8.000m, cao trung bình 3–4 m (có chỗ tới hơn 8 m).
Mỗi vòng thành đều có hào nước bao quanh bên ngoài, hào rộng trung bình từ 10m đến 30m, có chỗ còn rộng hơn. Các vòng hào đều thông với nhau và thông với sông Hoàng. Sự kết hợp của sông, hào và tường thành không có hình dạng nhất định, khiến thành như một mê cung, là một khu quân sự vừa thuận lợi cho tấn công vừa tốt cho phòng thủ.
Sông Hoàng được dùng làm hào thiên nhiên cho thành Ngoại ở về phía Tây Nam và Nam. Phần hào còn lại được đào sát chân tường thành từ gò Cột Cờ đến Đầm Cả. Con hào này nối với hào của thành Trung ở Đầm Cả và Xóm Mít, chảy qua cửa Cống Song nối với năm con lạch có hình dáng như bàn tay xòe, và với một nhánh của con lạch này, nước chảy thông vào vòng hào của thành Nội.
Thuyền bè đi lại dễ dàng trên ba vòng hào để đến trú đậu ở Đầm Cả hoặc ra sông Hoàng và từ đó có thể tỏa đi khắp nơi. Theo truyền thuyết,Thục Phán An Dương Vương thường dùng thuyền đi khắp các hào rồi ra sông Hồng.
