Công trình phòng thủ vĩ đại, đồng thời cũng là kinh đô của Nhà nước Âu Lạc được xây dựng trên vùng đất Cổ Loa, không chỉ tồn tại trong niềm tự hào của nhân dân Cổ Loa, trong truyền thuyết mà còn được ghi lại trong rất nhiều bộ sử của cả hai nước Việt Nam và Trung Quốc như Hậu Hán thư, Nam Việt chí, Thủy kinh chú, Tùy thư, An Nam chí lược, Việt kiệu thư, An Nam chí nguyên. Ở Việt Nam, các bộ sách Đại Việt sử lược, Đại Việt sử ký toàn thư, Lĩnh Nam chích quái, Dư địa chí, Việt sử thông giám cương mục, Đại Nam nhất thống chí... đều nói tới tòa thành do An Dương Vương xây dựng ở Cổ Loa.

Theo truyền thuyết cũng như các thư tịch cổ mô tả, “thành cổ (Cổ Loa) rộng hơn ngàn trượng, xoắn như hình trôn ốc, cho nên gọi là Loa Thành. Thư tịch cổ Trung Hoa chép, thành Cổ Loa có 9 vòng, hình con ốc. Nhưng hiện tại, cấu trúc của thành Cổ Loa chỉ còn ba vòng: thành Nội, thành Trung và thành Ngoại theo cách gọi của người Cổ Loa.

Các vòng tường thành Cổ Loa có các cửa khác nhau. Thành Nội chỉ mở một cửa quay về hướng nam, trông ra đình Cổ Loa. Thành Trung mở bốn cửa: cửa Nam, cửa Bắc, cửa Tây Bắc và cửa Tây Nam. Mỗi cửa có một miếu xây trên mặt tường thành-thờ quan coi cổng thành. Riêng cửa Nam, nơi hai vòng thành gặp nhau và có lẽ cũng là cửa chính được xây hai miếu ở hai bên. Thành Ngoại tuy dài và rộng nhưng cũng chỉ mở ba cửa: cửa Nam, cửa Bắc và cửa Tây Nam.

Rải rác trong thành còn có một số địa danh khác có liên quan tới chức năng quân sự của thành như: dọc Đống Bắn-tương truyền là nơi luyện cung nỏ của quân đội, Ngự Xạ Đài-nơi An Dương Vương ngồi xem quân lính tập bắn cung nỏ, Vườn Thuyền-là nơi thuyền bè neo đậu chuẩn bị tập luyện thủy chiến, gò Cột Cờ là nơi treo lá cờ đại của Nhà nước Âu Lạc...

Dưới chân các lũy thành đều có hào nước để ngăn cản quân địch, đồng thời là đường giao thông thủy quan trọng nối liền các khu vực trong thành và cũng là con đường thoát ra khỏi thành khi có nguy hiểm. Có thể coi hệ thống thành hào của thành Cổ Loa như những chi lưu của sông Hoàng. Vào mùa nước, khi mực nước sông Hoàng dâng cao, các lòng hào đều đầy ắp nước. Với chiều rộng từ 20-30m, thuyền bè từ sông Hoàng có thể vào, ra thành một cách dễ dàng.

Cuốn Lịch sử kỹ thuật quân sự Việt Nam có ghi lại, Cổ Loa là một công trình phòng vệ kiên cố trong điều kiện chưa có hỏa khí bắn xa. Nếu như kẻ địch tấn công từ bên ngoài vào, chúng sẽ gặp phải đòn đánh phủ đầu từ những lũy tiền vệ bên ngoài. Qua lũy tiền vệ này, để tiến vào tới đường thành còn phải vượt qua một khoảng trống lớn. Với tầm bắn của cung nỏ cứng, quân đứng trên tường thành Ngoại có thể ngăn chặn được bước tiến của kẻ thù. Một khi vượt qua được khoảng trống đó, trước mặt kẻ tấn công là hệ thống ngoại hào rộng từ 20-30m. Không thể dễ dàng vượt qua được hào nước này, một khi quân trên mặt tường thành bắn xuống, thủy quân với những thuyền nhỏ phục sẵn sẽ lao ra sẵn sàng phối hợp tác chiến.

Nếu vượt qua được ngoại hào thì trước mặt chúng là tường thành Ngoại kiên cố, cao từ 8-10m. Vượt qua được thành Ngoại để vào được nơi vua và hoàng tộc ở, kẻ địch còn phải vượt qua hai lớp hào và thành nữa. Đó là chưa kể đến những trận địa được bố trí ở giữa hai lớp thành.

Không chỉ là một căn cứ bộ binh hiểm yếu, Cổ Loa còn là một căn cứ thủy quân lợi hại. Sông Hoàng-ngoại hào thiên nhiên của Cổ Loa, đầu trên nối với sông Hồng, đoạn dưới nối với sông Cầu, qua cửa Lục Đầu ở Phả Lại, có thể đi thẳng ra biển. Nước của hai con sông lớn nhất trên châu thổ đã qua sông Hoàng, đổ vào hệ thống rồi chảy ra Đầm Cả mênh mông ở góc đông bắc thành. Diện tích mặt đầm có thể chứa hàng trăm thuyền bè. Với một hệ thống đường thủy được thiết kế tài tình như vậy, thuyền chiến có thể đi lại khắp nơi trong thành và khi cần, những đạo quân trong thành có thể dễ dàng ra khỏi thành bằng tiếp cứu cho thành nếu bị vây hãm.

Một trong những sáng tạo tuyệt vời khác người của thiết kế thành là, tác giả đã biết tận dụng triệt để các gò đất cao tự nhiên đắp nối liền chúng lại với nhau tạo nên những vòng thành khép kín, nhờ vậy đã tiết kiệm được rất nhiều sức lao động của con người và tiền của. Cũng chính vì vậy, mà thành Trung và thành Ngoại uốn lượn tự do không có hình dáng cân xứng và chặt chẽ. Yêu cầu về cái đẹp đã bị đẩy xuống hàng thứ yếu, mối quan tâm hàng đầu là tính chất kiên cố của một công trình quân sự.

Kho tàng truyền thuyết về Cổ Loa cho thấy công cuộc xây dựng thành vô cùng gian khó. Nguyên nhân là do thành xây trên vùng đất nhiều ao hồ lầy thụt và thời điểm đó những cuộc xung đột bộ lạc vẫn chưa chấm dứt. Tuy vậy, nhờ kinh nghiệm và sức mạnh của các bộ lạc vùng thấp, An Dương Vương đã chinh phục được các lực lượng chống đối và áp dụng kinh nghiệm chống lầy thụt của họ mới có thể thành công trong việc xây thành.

Kỹ thuật xây thành theo khảo sát, nghiên cứu của các nhà khảo cổ là: đầu tiên rải một lớp đá tảng hoặc cuội sỏi trên nền đất lầy thụt, bên trên lớp đá này là một lớp gốm cứng sau đó dùng đất sét có pha đất đồi feralitic đắp thành tường thành. Với kỹ thuật chống lầy lún như vậy, những bức tường thành đồ sộ của Cổ Loa đã đứng vững gần 2.000 năm qua.

Kỹ thuật xây dựng này còn được áp dụng cho một số lũy đất bên ngoài thành. Sự có mặt của kỹ thuật rải gốm dưới chân các lũy khẳng định nó được đắp cùng thời với các tường thành. Có thể nói, đây là một thành tựu kỹ thuật đặc biệt nhất trong xây dựng thành quách quân sự trong lịch sử dân tộc ta.