Thành Cổ Loa được xây bằng đất do thời ấy ở Âu Lạc chưa có gạch nung. Thành có 3 vòng. Chu vi ngoài 8 km, vòng giữa 6,58 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 xoải để đánh vào thì khó, trong đánh ra thì dễ. Lũy cao trung bình từ 4-5 m, có chỗ 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. Khu vực Cổ Loa được coi là một nền đất yếu nên việc xây dựng thành Cổ Loa có thể khó khăn và thành bị đổ nhiều lần là dễ hiểu. Khi xẻ dọc thành để nghiên cứu, các nhà khảo cổ học phát hiện kỹ thuật gia cố thành của Thục Phán: chân thành được chẹn một lớp tảng đá. Hòn nhỏ có đường kính 15 cm, hòn lớn có đường kính 60 cm. Xung quanh Cổ Loa, một mạng lưới thủy văn dày đặc đã được tạo ra, thành một vùng khép kín, thuận lợi cho việc xây dựng căn cứ thủy binh hùng mạnh. Thuở ấy, sông Thiếp – Ngũ Huyền Khê - Hoàng Giang thông với sông Cầu ở Thổ Hà, Quả Cảm (Hà Bắc) thông với sông Hồng ở Vĩnh Thanh (Đông Anh). Ngay sau khi xây thành, Thục An Dương Vương đã chiêu tập những thợ mộc giỏi, sử dụng gỗ ở địa phương đóng thuyền chiến. Nhân dân cũng được điều tới khai phá rừng đa (Gia Lâm), rừng Mơ (Mai Lâm), rừng dâu da (Du Lâm)... thành ruộng. Những hiệp thợ chuyên rèn vũ khí cũng xuất hiện, chế tạo côn, kiếm, giáo, mác và nỏ liên châu, mỗi phát bắn nhiều mũi tên. Có nhiều bằng chứng khảo cổ về sự tồn tại của hàng chục vạn mũi tên đồng, có thể dùng nỏ liên châu ở đâyThành Cổ Loa được các nhà khảo cổ học đánh giá là "tòa thành cổ nhất, quy mô lớn vào bậc nhất, cấu trúc cũng thuộc loại độc đáo nhất trong lịch sử xây dựng thành lũy của người Việt cổ"

Khi xây thành, người Việt cổ đã biết lợi dụng tối đa và khéo léo các địa hình tự nhiên. Họ tận dụng chiều cao của các đồi, gò, đắp thêm đất cho cao hơn để xây nên hai bức tường thành phía ngoài, vì thế hai bức tường thành này có đường nét uốn lượn theo địa hình chứ không băng theo đường thẳng như bức tường thành trung tâm. Người xưa lại xây thành bên cạnh con sông Hoàng để dùng sông này vừa làm hào bảo vệ thành vừa là nguồn cung cấp nước cho toàn bộ hệ thống hào vừa là đường thủy quan trọng. Chiếc Đầm Cả rộng lớn nằm ở phía Đông cũng được tận dụng biến thành bến cảng làm nơi tụ họp cho đến cả hàng trăm thuyền bè.

Chất liệu chủ yếu dùng để xây thành là đất, sau đó là đá và gốm vỡ. Đá được dùng để kè cho chân thành được vững chắc. Các đoạn thành ven sông, ven đầm được kè nhiều đá hơn các đoạn khác. Đá kè là loại đá tảng lớn và đá cuội được chở tới từ các miền khác. Xen giữa đám đất đá là những lớp gốm được rải dày mỏng khác nhau, nhiều nhất là ở chân thành và rìa thành để chống sụt lở. Các cuộc khai quật khảo cổ học đã tìm thấy một số lượng gốm khổng lồ gồm ngói ống, ngói bản, đầu ngói, đinh ngói. Ngói có nhiều loại với độ nung khác nhau. Có cái được nung ở nhiệt độ thấp, có cái được nung rất cao gần như sành. Ngói được trang trí nhiều loại hoa văn ở một mặt hay hai mặt.

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 xoải để đánh vào thì khó, trong đánh ra thì dễ. Lũy cao trung bình từ 4 m-5 m, có chỗ cao đến 8 m-12 m. Chân lũy rộng 20 m-30 m, mặt lũy rộng 6 m-12 m. Khối lượng đất đào đắp ước tính 2,2 triệu mét khối.Thành nội hình chữ nhật, cao trung bình 5 m so với mặt đất, mặt thành rộng từ 6 m-12 m, chân rộng từ 20 m-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 cống song, 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 m-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

Thành rộng hơn nghìn trượng như hình trôn ốc nên gọi là Loa thành”.
Thành có ba vòng khép kín với tổng chiều dài chu vi khoảng 16.000 m. Chiều cao của thành khoảng từ 5 – 10 m, mặt thành rộng trung bình 10 m, chân thành rộng từ 10 – 20 m.
Các thành đều có hào bao quanh, rộng từ 10 – 30 m. Các hào thông nhau, vừa nối với một đầm lớn (Đầm cả) ở giữa thành Trung và thành Ngoại, vừa nối với sông Hoàng.
Bên trong thành Nội là những khu nhà ở và làm việc của gia đình An Dương Vương và các Lạc hầu, Lạc tướng. Cổ Loa còn là một quân thành, ở đây có một lực lượng quân đội lớn gồm bộ binh và thủy binh được trang bị các vũ khí bằng đồng như giáo, rìu chiến, dao găm và đặc biệt là nỏ. Các nhà khảo cổ đã phát hiện được ở phía nam thành (Cầu Vực) một hố mũi tên đồng gồm hàng vạn chiếc. Đầm cả là nơi tập trung các thuyền chiến vừa luyện tập, vừa sẵn sàng chiến đấu.