明王朝为防御蒙古、女真的不断侵扰,采用“高筑墙、广积粮”的政策,致使各府、州、县城的城墙修筑得十分坚固,由原来的土城墙全部改为砖砌。其中大同城为边关重镇,城墙修的尤为壮实,高大雄伟,城防设施齐全,史称“金汤之城”。洪武五年(1372年)大将军徐达,对大同古城墙进行了大规模的修建,在北魏都城、唐辽金元旧土城的基础上,从南截去1.38公里,略呈方形,东西长1.8公里,南北长1.82公里,周长7.24公里,面积3.28平方公里。城墙一律以规整有制的石条、石方为基础上用“三合土”夯成,外包青砖,砖分大、中、小三号,中号砖长40厘米,宽20厘米,厚10厘米,重18公斤,为现代砖的7倍。
城墙高14米,垛墙上又砌长5米,高0.8米,厚0.5米的砖垛,垛间距0.5米,垛口为瞭望和射击口,共580米对垛子,代表当时大同所辖村庄数。城设四门,东曰和阳,南曰永泰,西曰清远,北曰武定。上各建重檐九级歇山顶、三层重楼一座,外有廊柱环绕,平面均为凸字形,面积约1420平方米。城墙四角各建角楼,西北角楼称“乾楼”,高大瑰丽,为“大同八景”之一。
城墙四面还伫立着54座望楼,96座窝铺。城墙外轮廓凸凹排列有序,突出部分为城墙垛子,每边计12个,外加角墩计52个,墩距113米,墩作梯形结构,底边长32米,顶边长20米,顶面积400平方米。四角墩相距6.6米,上架踏板与城墙相通,以发挥侧射、策应和多角度瞭望的作用。
四门之外是瓮城,面呈方形,面积为17000平方米,瓮城旁设城门,门洞进深约30米,门上建“箭楼”或称“匾楼”。东瓮城内建岳王庙、王狱庙;西瓮城有老爷庙、白衣庙;南瓮城有药王庙;北瓮城有眼光寺、关帝庙。城外侧修有壕堑,深约5米,宽10米,俗称护城河。波光涟漪,环绕古城。各门设吊桥。城东、南、北各设小城(关城)。