Το κάστρο είναι ακανόνιστου σχήματος και ακολουθεί το φρύδι του βράχου. Οχύρωση υπήρχε στο λόφο από τα τέλη του 4ου αι. π.Χ. Η νότια πλευρά παρέμενε διαχρονικά ατείχιστη, λόγω του απόκρημνου αναγλύφου. Η κύρια πύλη του κάστρου βρισκόταν στην ανατολική πιο ευπρόσβλητη πλευρά του βράχου.
Η βυζαντινή οχύρωση που πιθανώς πραγματοποιήθηκε στα χρόνια των Κομνηνών (1057-1185), ακολούθησε την χάραξη του αρχαίου περιβόλου, τμήματα του οποίου είναι ακόμη ορατά σε ορισμένα σημεία και ακολουθούν την πολυγωνική τοιχοποιία. Η πύλη βρισκόταν ανάμεσα στον μεσαίο και το νότιο από τους τρεις ημικυκλικούς πύργους που ανεγέρθηκαν την εποχή αυτή στο ανατολικό τείχος. Εντός της βυζαντινής οχύρωσης υπήρχε οικισμός με μεσοβυζαντινούς ναούς, ενώ εξίσου κατοικούταν η περιοχή εκτός του βόρειου τείχους έως την ακτογραμμή που εκείνη την εποχή ήταν πολύ πιο κοντά στο λόφο.
Μετά την φραγκική κατάληψη, το κάστρο χωρίστηκε με τη βοήθεια διατειχίσματος σε δυο τμήματα. Το δυτικό τμήμα αποτελούσε το Ρωμαϊκό κάστρο και προοριζόταν για τους βυζαντινούς υποτελείς, ενώ το ανατολικό αποτελούσε το Φράγκικο κάστρο και ήταν το νέο διοικητικό και στρατιωτικό κέντρο της πόλης. Στο μέσον του διατειχίσματος υπήρχε κεντρικός πύργος για τον έλεγχο της επικοινωνίας μεταξύ των δυο τμημάτων, ενώ ανατολικά του υπήρχε κτήριο διοικητικής λειτουργίας, γνωστο ως Παλάτι του Βιλλεαρδουίνου. Οι Φράγκοι αναδιαμόρφωσαν επίσης το ανατολικό τείχος με την μετασκευή των βυζαντινών πύργων σε πύργους με τριγωνική απόληξη και την προσθήκη διαβατικού μπροστά από την βυζαντινή πύλη, το οποίο τοιχογραφήθηκε με απεικονίσεις ορθόδοξων και καθολικών αγίων, οικόσημα φράγκων ηγεμόνων και πιθανές σκηνές από το «Μυθιστόρημα του Μεγάλου Αλεξάνδρου». Το σύνολο αποτέλεσε χορηγία τον Ούγου de Brienne,και αφορμή του στάθηκε πιθανώς η ανακωχή μεταξύ Βυζαντινών κι Φράγκων το 1290/1. Για το λόγο αυτό άλλωστε η πύλη είναι γνωστή ως Πύλη της Ειρήνης.
Κατά την α΄ ενετοκρατία, το κάστρο επεκτάθηκε ανατολικά με την προσθήκη του Κάστρου των Tόρων. Οι εργασίες για την κατασκευή του ξεκίνησαν το 1470 υπό τον μηχανικό Antonio Gambello de Sancto Zacharia και τον διοικητή Vettore Pasqualigo. Η είσοδος σε αυτό γινόταν από την Πύλη Τόρων στη βορειοδυτική γωνία του κάστρου, ενώ μεταξύ του 1493-1519 στο ανατολικό άκρο του κάστρου προστέθηκε ο διπλός ανισοϋψής προμαχώνας των Τόρων. Την ίδια περίοδο, η ανατολική πύλη με το διαβατικό επιχώθηκε και το ανατολικό τείχος καλύφθηκε από σκάρπα. Παράλληλα, νέα πύλη ανοίχθηκε στην απόκρημνη νοτιοανατολική πλευρά του κάστρου, η οποία διέθετε καταφραγή και προστατευόταν από πυροβολαρχία.
Το 1470 κατασκευάστηκε εντός του Φράγκικου κάστρου από τον αρχιτέκτονα Antonio Gambello το ομώνυμο αμυντικό συγκρότημα που περιλαμβάνει διατείχισμα (traversa), διαδοχικές πύλες με διαβατικά και μικρές αυλές. Το συγκρότημα προστάτευε ευθύγραμμο προτείχισμα και την πύλη του ημικυκλικό προτείχισμα (barbicane). Επίσης, στη βόρεια πλευρά του τείχους προστέθηκε προτείχισμα ημικυκλικής μορφής (lunette) για να ενισχυθεί η άμυνα του τείχους.
Η κάτω πόλη που δημιουργήθηκε κατά τις τελευταίες δεκαετίες του 15ου αι., μετά από τεχνητές προσχώσεις και θεμελιώσεις σε ξύλινους πασσάλους στα βόρεια του βράχου της Ακροναυπλίας, προστατεύτηκε από παραλιακό τείχος στις αρχές του 15ου αι. Στο ανατολικό τμήμα του νέου αυτού τείχους ανοίχτηκε τάφρος και στο βορειοανατολικό άκρο του κατασκευάστηκε στα μέσα 15ου αι. ο μεγάλων διαστάσεων πύργος «Contarini ή Contarina». Η επικοινωνία μεταξύ της χερσονήσου και της στεριάς εξασφαλίστηκε με την κατασκευή γέφυρας επάνω από την τάφρο που κατέληγε στην Πύλη της Ξηράς (Porta di Terraferma), την οποία προστάτευε πύργος. Καμαροσκεπής διάδρομος ένωνε την Πύλη της Ξηράς με τον Προμαχώνα Τόρων και το ομώνυμο κάστρο.
Επίσης στη δυτική πλευρά της χερσονήσου κατασκευάστηκε τείχος που ένωνε το παραλιακό τείχος με τον περίβολο της ακρόπολης, ενώ την ίδια εποχή διαμορφώθηκε ράμπα και κτήριο-διαβατικό για τον έλεγχο της πρόσβασης στην πύλη που βρισκόταν διαχρονικά στη βόρεια πλευρά του οχυρωμένου βράχου.
Τέλος, το 1471 επί προνοήτη Vettore Pasqualigo, στη νησίδα των Αγ. Θεοδώρων κατασκευάστηκε φρούριο, το γνωστό ως Μπούρτζι (Castel del Mar). Η άμυνα της εισόδου του λιμανιού ενισχυόταν με μια μεταλλική αλυσίδα μεταξύ του μόλου της Ακροναυπλίας και του φρουρίου της νησίδας στα βορειοδυτικά της χερσονήσου.
Κατά τη β΄ενετοκρατία, τα τείχη ανακατασκευάστηκαν για να ακολουθήσουν τις εξελίξεις της αμυντικής αρχιτεκτονικής. Έτσι, οι επάλξεις του παραλιακού τείχους αντικαταστάθηκαν από κανονιοθυρίδες και το τείχος ενισχύθηκε με τον Προμαχώνα των Πέντε Αδελφών βορειοδυτικά, τον ημιπρομαχώνα Dolfin στο βορειανατολικό άκρο του, ο οποίος ενσωμάτωσε το προγενέστερο πύργο Contarini, αλλά και το νέο μεταπρομαχώνιο τείχος με σκάρπα και μεγάλο πάχος στο ανατολικό τμήμα του παραλιακού τείχους. Στο τμήμα αυτό της οχύρωσης σημειώθηκε την εποχή αυτή και η κατασκευή της contra scarpa ανατολικά της τάφρου, καθώς και η ανακατασκευή της γέφυρας και της Πύλης της Ξηράς το 1708. Το παραλιακό μέτωπο ενισχύθηκε εξίσου στη βόρεια πλευρά του και με την κατασκευή του προμαχώνα Mocenigo εντός της θάλασσας επί Γενικού Προβλεπτή του Ναυτικού Alvise III Mocenigo (1709-1711). Παράλληλα, αναδιαμορφώθηκε από τον στρατιωτικό μηχανικό De Silva το 1715 το πλάτωμα βόρεια του παραλιακού τείχους, όπου προγενέστερα υπήρχαν αποθήκες και οικίες. Το πλάτωμα απέκτησε ανάχωμα με κλίση προς τη θάλασσα (ramparo), καλυμμένη οδό (strada coperta) κατά μήκος του και εσωτερικά χώρο συγκέντρωσης των στρατιωτών (piazza d’armi). Την πλατεία διαπερνούσαν δυο «τραβέρσες», οι οποίες ενώνονται με δυο τανάλιες (tenaglie), δηλαδή χαμηλές αμυντικές κατασκευές μπροστά από το τείχος.
Στη βόρεια πλευρά του ρωμαίικου κάστρου επί διοικήσεως Daniele Dolfin (1701-1704), κατασκευάστηκε ο ημιπρομαχώνας Dolfin, ο οποίος ενσωμάτωσε την προγενέστερη πύλη της βόρειας πλευράς. Το 1713, επί προβλεπτή Agostino Sagredo, η πύλη αυτή επιχώθηκε και δημιουργήθηκε το στρατηγικής σημασίας αμυντικό συγκρότημα Sagredo. Το συγκρότημα περιελάμβανε τοξωτή πύλη, η οποία προσεγγιζόταν από κλίμακα αποτελούμενη από δύο τμήματα, ενώ κτήριο – φυλάκιο και αποθήκη οπλισμού που ενσωμάτωσε το προγενέστερο διαβατικό και εξασφάλιζε τον έλεγχο της κυκλοφορίας. Η πρόσβαση στη κάστρο μετά την είσοδο στην πύλη γινόταν μέσω θολοσκεπούς κλίμακας στο πάχος του τείχους.
Την εποχή αυτή, στη δυτική απόληξη της βραχονησίδας κατασκευάστηκε προμαχώνας με κανονιοθυρίδες και χαράχτηκε μονοπάτι σε σημείο σχετικά μη ορατό, ιδιαίτερα χρήσιμο για τον εφοδιοσμό των κατοίκων σε περιόδους πολιορκίας. Παράλληλα, στην άκρη του κάστρου των Τόρων, ο προμαχώνας Τόρων ενισχύθηκε με την προσθήκη το 1706 του τετράπλευρου προμαχώνα Grimani.
Εντός της οχύρωσης του βράχου, μετά το διάταγμα του Morosini το 1686, κατασκευάζονταν πλέον μόνο στρατώνες και βοηθητικά κτήρια, όπως οι στρατώνες Grimani που κτίστηκαν κατά τη θητεία του Grimani ως Provveditore Generale (1706-1709). Αντίστοιχα, στην κάτω πόλη, το 1713 ανεγέρθηκε επί Sagredo η Αποθήκη του Στόλου (arsenale), το σημερινό Αρχαιολογικό Μουσείο στην Πλατεία Συντάγματος.
Μετά την απελευθέρωση της Ακροναυπλίας από τους Οθωμανούς, ο στρατώνας Grimani ανοικοδομήθηκε και αποτέλεσε τον στρατώνα Καποδίστρια, ενώ το 1828 ανατολικά του συγκροτήματος Gambello ανεγέρθηκε το Στρατιωτικό Νοσοκομείο με ναΐσκο των Αγ. Αναργύρων. Κατά τον 19ο αι. κατεδαφίστηκαν η βόρεια πλευρά του τείχους και η ανατολική πλευρά εκτός από τους προμαχώνες και την Πύλη της Ξηράς, ενώ σημειώθηκε επέκταση της κάτω πόλης προς τα βόρεια σύμφωνα με σχεδιασμό του Στ. Βούλγαρη.
Από το 1884 μέχρι περίπου και το 1966 ο Στρατώνας Καποδίστρια λριτουργούσε ως φυλακή. Κατά τον β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο στην κορυφή του βράχου κατασκευάστηκαν βάσεις αντιαεροπορικών πυροβόλων με αποτέλεσμα να ισοπεδωθεί προηγουμένως η περιοχή. Το 1970-1971 εντός του κάστρου Τόρων κτίστηκε η ξενοδοχειακή μονάδα «ΞΕΝΙΑ», καταλαμβάνοντας το μεγαλύτερο μέρος του κάστρου, ενώ πολύ αργότερα, νέα ξενοδοχειακή μονάδα ανεγέρθηκε σε ένα πολύ μεγάλο τμήμα της βόρειας πλευράς του οχυρωμένου λόφου.