Toàn bộ khu thành cổ tọa lạc trên khuôn viên có tổng diện tích hơn 16ha. Thành có kiến trúc hình vuông, mỗi cạnh dài khoảng 500m; với 4 cổng mở lệch 4 hướng, gồm: Cửa Hậu mở ra phía Bắc lệch Đông nên được gọi là Bắc môn. Cửa Tiền - mở theo hướng Nam lệch Tây, có tên gọi là Nam môn. Cửa Hữu - mở theo hướng Tây lệch Bắc, được gọi là Tây môn. Cửa Tả - mở hướng Đông lệch Nam, có tên gọi là Đông môn. Hai cửa Tiền và cửa Hữu hiện vẫn giữ được nguyên vẹn hình dáng cổ với những cây đa, cây đề có niên đại cùng tòa thành. Ngoài ra, trong khuôn viên thành cổ còn có cột cờ, còn được gọi là Vọng lâu, có chiều cao 18m, với cầu thang gồm 50 bậc được xây bằng đá tảng nguyên khối, sắp xếp theo hình xoáy trôn ốc dẫn lên tới đỉnh. Từ đây, du khách có thể thoải mái phóng tầm mắt ngắm nhìn thị xã Sơn Tây yên bình. Dưới chân tòa thành là một không gian xanh mát được phủ bằng những hàng cây cổ thụ. Chính giữa là con đường nối từ cổng chính với cột cờ, chia hồ nước thành hai hình vuông, tạo thế đối xứng. Thành còn được bao bọc bởi hào nước có chu vi 1.800m, mặt hào rộng gần 27m, sâu 4m; xưa kia được xây dựng theo kiểu kiến trúc quân sự với đặc điểm nổi bật là thành cao, hào sâu nhằm ngăn chặn kẻ thù đột nhập, bảo đảm an toàn cho quan quân trong thành.
Năm 2009, Thành cổ Sơn Tây được thành phố Hà Nội cải tạo, chỉnh trang, tu bổ phục vụ Đại lễ kỷ niệm 1000 năm Thăng Long - Hà Nội. Trong quá trình tu bổ, nhiều đoạn tường thành được xây bằng gạch đá ong đã bị xuống cấp theo thời gian nên phải xây mới, tuy vậy, vẫn còn một đoạn gần 100m được giữ gìn nguyên vẹn. Du khách đến tham quan có thể cảm nhận không gian uy nghiêm, cổ kính của tòa thành. Năm 1994, Thành cổ Sơn Tây được Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch xếp hạng Di tích lịch sử kiến trúc quốc gia.
