Tường thành hình lục giác, 6 cạnh không đều nhau, được đắp bằng đất, tường thành chạy uốn khúc theo hình lục giác dài khoảng 2.694m và cao 3,5m. Mặt ngoài thành được đắp hơi thẳng đứng, mặt trong được đắp thoai thoải gồm hai bậc thang dùng làm đường đi. Các góc thành được đắp nhô ra ngoài, có khả năng quan sát được hai bên. Bên trong mỗi góc được đắp thành một khoảng đất rộng dùng làm nơi trú quân. Mỗi góc thành đều đắp một ụ đất cao khoảng 2m dùng để đặt súng đại bác gọi là pháo đài góc, trên thành được trồng nhiều tre hoặc cây có gai. Bên ngoài thành có đào hào sâu từ 3 - 5m, rộng hẹp không đều nhau, tùy theo địa hình. Dưới lòng hào thường xuyên có nước dẫn từ sông Cái vào và có nhiều chướng ngại vật.

Ban đầu thành có 6 cửa (cổng thành), hiện nay chỉ còn 4 cửa Ðông - Tây - Tiền (phía Nam) - Hậu (phía Bắc). Trước đây trong thành có Hoàng cung, bên trái là dinh Tuần Vũ, phía sau là dinh Án Sát, sau nữa là dinh Lãnh Binh, phía dưới là dinh Tham Tri, có nhà kho, nhà lao kiên cố.

Thành cổ Diên Khánh là một trong những di tích quí để nghiên cứu về thành lũy cổ và được Nhà nước công nhận là di tích quốc gia.