Στα τείχη του κάστρου Λάρισα διακρίνονται φάσεις από τη μυκηναϊκή ως την ύστερη οθωμανική περίοδο. Η χάραξη τμημάτων των περιβόλων άλλαξε πολλές φορές ανάλογα με τις ανάγκες και τις εκάστοτε ιστορικές συγκυρίες. Το αρχαίο υλικό αξιοποιείται είτε εν θέσει είτε με επανατοποθέτηση σε ορισμένα σημεία. Οι πύργοι, τετραγωνικής κάτοψης κατά τη βυζαντινή περίοδο, σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν αλλάξει μορφή ύστερα από μετατροπές κατά την φραγκική, την βενετική και την οθωμανική περίοδο.
Σήμερα διακρίνονται δύο περίβολοι, ένας εσωτερικός και ένας ευρύτερος εξωτερικός. Ο εσωτερικός περίβολος, η ακρόπολη του κάστρου, περίπου εξαγωνική, καταλαμβάνει την κορυφή του λόφου. Ο εξωτερικός περίβολος, πολύ ευρύς στη βυζαντινή περίοδο συμπεριλάμβανε την ακρόπολη και πολύ ελεύθερο χώρο στη νότια πλευρά.
Ξεκινώντας από την ακρόπολη και τα κτίσματα της βυζαντινής περιόδου, στην νότια πλευρά της, στη θέση του προμαχώνα, πρόσφατα εντοπίστηκαν τα ίχνη ενός παλαιού, μεγάλου τετράπλευρου πύργου, ο οποίος θα δέσποζε δίπλα στην κεντρική της πύλη, φραγμένη σήμερα. Μια δεύτερη πυλίδα υπήρχε στα νότια του δυτικού τείχους. Στο βόρειο άκρο της ακρόπολης διατηρούνται τα θεμέλια μιας μεγάλης εκκλησίας, μάλλον τρίκλιτης βασιλικής που χρονολογείται μεταξύ 6ου και 10ου αι. Επάνω στα κατάλοιπά της, ιδρύθηκε μικρότερος μονόχωρος ναός που και αυτός σώζεται ερειπωμένος. Σύμφωνα με κτητορική επιγραφή ταυτίζεται με εκκλησία αφιερωμένη στην Παναγία, δωρεά του επισκόπου Νικήτα και έτος κτήσεως 1174. Επίσης, στο εσωτερικό της ακρόπολης υπάρχουν δύο κινστέρνες.
Ο μεγάλος, ελλειψοειδής εξωτερικός περίβολος ακολουθεί την αρχαία χάραξη στην δυτική και νότια πλευρά. Κατά διαστήματα ενισχύεται από τρίπλευρους και τετράπλευρους πύργους. Στο νότιο τμήμα της δυτικής πλευράς, αποκαλύφθηκε τελευταία και η κεντρική πύλη του βυζαντινού κάστρου που εσωτερικά θα διέθετε θολωτό διαβατικό, ενώ εξωτερικά βρέθηκε ο λιθόστρωτος δρόμος που οδηγούσε σε αυτήν. Από το κτίσματα του εξωτερικού περιβόλου αξιοσημείωτες είναι οι μεγάλες θολωτές κινστέρνες. Το μέγεθος τους μαρτυρά για την χρήση του χώρου και από αστικό πληθυσμό και όχι μόνο από την στρατιωτική φρουρά και τις αρχές.
Στα τείχη, οι βυζαντινές φάσεις διατηρούνται στα χαμηλότερα τμήματα ή στα κενά μεταξύ των αρχαίων φάσεων. Σε ορισμένα σημεία εντοπίζονται ως κοινή αργολιθοδομή με ελάχιστες πλίνθους στους αρμούς, αλλού είναι ορατές σε δόμους από αδρολαξευμένους ντόπιους ασβεστόλιθους, όπου στους οριζόντιους αρμούς παρεμβάλλονται τεμάχια πλίνθων.
Κατά την Φραγκοκρατία (1209-1389) και επί δεσποτάτου του Μυστρά (1389-1394) γίνονται επισκευές στα τείχη της ακρόπολης (π.χ. στο βόρειο τείχος) χωρίς όμως αλλαγές στην διάταξή τους. Σε αυτή την περίοδο χρονολογείται ένα μεγάλο και επίμηκες κτήριο στην ανατολική πλευρά της ακρόπολης, το οποίο ήταν διώροφο. Βόρεια συνδεόταν με ένα επίσης διώροφο κτήριο με πυργοειδή μορφή το οποίο υψωνόταν δίπλα από την βυζαντινή εκκλησία. Το μεγάλο αυτό οικοδόμημα ήταν ένα δημόσια κτήριο, ίσως το κτήριο του φράγκου καστελλάνου. Η μεγάλη ανατολική κινστέρνα του εξωτερικού περιβόλου ενδεχομένως χρονολογείται την ίδια περίοδο.
Η Α΄ περίοδος της Ενετοκρατίας (1394-1463) συμπίπτει με μια κοσμογονική αλλαγή στην πολεμική τεχνολογία, την χρήση των πυροβόλων όπλων που προκαλεί ριζική μεταβολή στις απανταχού χρησιμοποιούμενες οχυρώσεις. Στη Λάρισα ο ευρύς εξωτερικός περίβολος κόβεται στα δύο, με το κτίσιμο ενός διατειχίσματος σε δύο τμήματα που συνδέει την ακρόπολη με το ανατολικό και δυτικό εξωτερικό τείχος. Παράλληλα, το νότιο ευάλωτο τμήμα του εξωτερικού τείχους αρχίζει σιγά-σιγά να εγκαταλείπεται. Το δυτικό τμήμα του διατειχίσματος ενισχύεται με ένα τετράπλευρο και ένα αμυγδαλόσχημο πύργο στα δύο άκρα του αντίστοιχα. Το ανατολικό τμήμα του ισχυροποιείται με ένα τετράπλευρο, ένα τρίπλευρο και έναν κυλινδρικό πύργο. Στους νέους αυτούς πύργους εμφανίζονται για πρώτη φορά στο Άργος μικρές κανονιοθυρίδες. Η πύλη για το βόρειο τμήμα του περιβόλου ανοίγεται στο άκρο του διατειχίσματος, πλησίον της ακρόπολης.
Ταυτόχρονα ανακαινίζονται και οι οχυρώσεις της ακρόπολης. Στο εσωτερικό της ισοπεδώνονται τα κατεστραμμένα κτήρια από την τουρκική εισβολή του 1397 και ανεβαίνει η στάθμη του εδάφους (η οποία δεν υπάρχει σήμερα λόγω των ανασκαφών του 20ου αι. μέχρι τον φυσικό βράχο). Πάνω στην νέα, ψηλότερη στάθμη ανυψώνεται και το τείχος περιμετρικά και ενισχύεται με νέους τρίπλευρους και κυλινδρικούς πύργους. Στους πύργους δημιουργούνται χώροι για μικρά πυροβόλα. Μετά το μπάζωμα της ακρόπολης, η βυζαντινή πύλη σφραγίζεται και μια καινούργια δημιουργείται στην νέα υπερύψωση, δυτικότερα της παλιάς.
Τέλος, έξω από το βυζαντινό εξωτερικό βόρειο τείχος, κατασκευάζεται το συγκρότημα των δίδυμων πύργων που διαθέτουν επίσης χώρους για τοποθέτηση πυροβόλων όπλων.
Κατά την Οθωμανική (Α΄: 1463-1685 και Β΄: 1715-1821) και την Β΄ Ενετική (Β΄: 1686-1715) περίοδο η άμυνα της Λάρισας ενισχύεται. Οι Οθωμανοί το 1467 ανεγείρουν μεγάλο κυλινδρικό πύργο, καθώς η αντιπαράθεση με τους Ενετούς είναι συνεχής και το ενετικό Ναύπλιο βρίσκεται σε ελάχιστη απόσταση. Ο πύργος αυτός δέσποζε στο κάστρο, όπως τεκμηριώνεται από τα χαρακτικά που τον απαθανατίζουν αλλά και από τα υφιστάμενα λείψανά του. Από τον τούρκο περιηγητή Evliya Çelebi πληροφορούμαστε ότι ο πύργος διέθετε οκτώ πατώματα, λίθινο τρούλο με μολύβδινη επικάλυψη και ότι είχε ιδιαίτερα μεγάλο ύψος, που μπορούσε να συγκριθεί μόνο με αυτό του πύργου του Γαλατά. Δυτικότερα του κεντρικού κυλινδρικού πύργου διαμορφώνεται λίγο αργότερα νέος χαμηλός κυκλικός πύργος-προμαχώνας, στη θέση παλαιότερου πύργου.
Επίσης, κατασκευάζεται ένα νέο τείχος, στη μορφή προτειχίσματος με διαβατικό από τον κυλινδρικό πύργο μέχρι τον δυτικό πύργο του ανατολικού διατειχίσματος. Με την κατασκευή αυτή δημιουργείται ένας κλειστός προθάλαμος για την είσοδο στο κάστρο που προστατεύει τις δύο πύλες του κάστρου, εκείνη της ακρόπολης και του βόρειου εξωτερικού περιβόλου. Στο προτείχισμα αυτό δημιουργείται η νέα εξωτερική πύλη του κάστρου σε επαφή με τον κυλινδρικό πύργο του ανατολικού διατειχίσματος. Η πύλη έχει την μορφή θολωτού διαβατικού με λιθόστρωτο και πάγκους εκατέρωθεν. Ασφάλιζε με δύο θύρες: η μία στο εξωτερικό και η δεύτερη στο εσωτερικό άκρο του διαβατικού. Λίγο αργότερα, έξω από την πύλη κατασκευάστηκε για την αμυντική θωράκιση και μια δεύτερη πύλη. Το κενό ανάμεσα στις δύο πύλες ήταν ακάλυπτο, ώστε να μπορεί να χρησιμεύσει ως φονιάς, με βολές από το δώμα του πύργου και του διαβατικού.
Από τις λοιπές κατασκευές αυτής της περιόδου, στο εσωτερικό του κάστρου μαρτυρείται η ύπαρξη μουσουλμανικού τεμένους.
Τα τείχη του παλαιού εξωτερικού περιβόλου στη νότια πλευρά είναι πλέον ερειπωμένα και άχρηστα.
Το κάστρο στην μορφή αυτή παρέμεινε μέχρι το 1700, όταν μια έκρηξη καταστρέφει τον μεγάλο κεντρικό κυλινδρικό πύργο του κάστρου που χρησιμοποιείτο ως πυριτιδαποθήκη. Στη θέση του κτίζεται λίγο αργότερα ο σωζόμενος προμαχώνας. Πιθανόν τότε, ο περίβολος της νότιας αυλής επενδύθηκε για να ενισχυθεί αλλά και να προσαρμοστεί στην γεωμετρία του προμαχώνα. Σε αυτή την μορφή έφτασε το κάστρο μέχρι σήμερα.