Ban đầu thành được đắp bằng đất, tới năm 1827 vua Minh Mạng cho xây lại bằng gạch. Thành có dạng hình vuông, chu vi tường thành là gần 2.000 m, cao 9,4 m, dưới chân dày 12 m, bao quanh có hệ thống hào, bốn góc thành là 4 pháo đài cao nhô hẳn ra ngoài. Thành được xây theo lối kiến trúc thành trì Việt Nam với tường thành bao quanh hình vuông được làm từ gạch nung cỡ lớn; kết dính bằng vôi, mật mía và một số phụ gia khác trong dân gian. Thành trổ bốn cửa chính Đông Tây Nam Bắc.
Trong những năm 1809-1945 nhà Nguyễn lấy làm thành lũy quân sự và trụ sở hành chính. Từ năm 1929, Pháp xây dựng thêm nhà lao ở đây và biến nơi đây thành nơi giam cầm các những người có quan điểm chính trị đối lập.
Tại nơi đây đã có những trận đánh lớn trong thời kỳ chiến tranh Việt Nam trong các năm 1968, 1972. Sau chiến dịch Thành Cổ "mùa hè đỏ lửa" 1972 toàn bộ Thành Cổ gần như bị san phẳng; chỉ còn sót lại một cửa hướng Đông tương đối nguyên hình và vài đoạn tường thành cùng giao thông hào bên ngoài chi chít vết bom đạn.
Trong thập niên 90 của thế kỷ 20, UBND tỉnh Quảng Trị cho tôn tạo lại thành để làm di tích. Người ta phục chế vài đoạn tường thành, làm lại bốn cổng chính, ngay trung tâm thành được xây một đài tưởng niệm ghi dấu ấn 81 ngày đêm năm 1972. Góc phía tây nam dựng lên một ngôi nhà Hiện Đại làm bảo tàng. Toàn bộ đường dẫn vào di tích và mặt đất bên trong Thành Cổ được tráng xi mang chừa ô trồng cỏ. Thành Cổ được người dân trong vùng xem là "Đất Tâm Linh" vì nơi đây bất cứ tấc đất nào cũng có bom đạn và máu xương các binh sĩ hai bên. Hiện nay là một công viên lớn nhất Thị xã Quảng Trị.Thành cổ Quảng Trị còn nổi tiếng là nơi diễn ra trận chiến 81 ngày đêm giữa lực lượng của Quân đội Nhân dân Việt Nam với Quân lực Việt Nam Cộng hòa có sự yểm trợ tối đa của hỏa lực của quân đội Mỹ. Đây là một trận đánh hao tổn về sức người và của cho cả hai bên. Hiện nay tại bảo tàng Thành cổ Quảng Trị vẫn còn có nhưng di vật, và những bức thư bộ đội gửi vĩnh biệt gia đình trong thời gian xảy ra trận đánh này.
