大同古城牆為明洪武五年(1372年)在元故城牆舊土城上增築而成，全國頗有名氣。大同城牆的總周長為7270．7米，形制方形城池。牆體“三合土”夯填，牆表包磚，高約14米，比西安古城牆高2米，最寬處16．6米，比南京古城牆最寬處還寬6．6米。
城牆上有62座門摟、角樓、望樓。城門樓四座，其中南門城樓最雄壯，為三層重樓，面寬61米，進深23．35米。城牆四角雄峙著四座角樓，尤以西北角樓最傑，呈八角形，稱為乾樓。54座望樓中以洪字樓為望樓之最，為其他古城牆中少有。同時還建有96座窩鋪。在距牆約40米處，修有護城河，寬10米，深5米。四門外有甕城，建築面積約為17600平方米。甕城外又築有月城，將甕城圈在其中，闢有城門。這樣，出入大同城須經三道門卡。各門上還建“箭樓”或二層“匾樓”。
現存大同城牆為明洪武五年（1372年），大將軍徐達奉命依遼、金、元舊城基礎增築新城，略呈方形，東西長1.8公里，南北長1.82公里，周長7.24公里，面積3.28平方公里。城牆一律以規整有制的石條、石板、石方為基礎，在原城牆基礎上用“三合土”夯成，外包青磚。
城牆高達14米，上寬12米，下寬18米。城牆四周修築了54座望樓，96座窩鋪。四面城牆建有580對垛子，代表當時大同所轄村莊數。城牆四角建有角樓，四角墩外各建控軍臺一座。城設四門，東和陽門、南永泰門、西清遠門、北武定門。
四門之上分別建有城樓，其月樓、箭樓、望樓、角樓間隔而立。四門之外建有甕城、月城、護城河。城牆高大雄偉，堅固險峻，佈防嚴密，各種防禦設施齊備，自成一體，是我國古代軍事建築史上頗具特色的重鎮名城。由於它在北部邊防中佔據十分重要的地位，在多次戰鬥中發揮了重要作用。因此，一直享有“巍然重鎮”，“ 北方鎖鑰”之譽。
清順治六年，大同城池遭受嚴重破壞。明將姜瓖先是投清，後又反叛，多爾袞率軍攻打大同，歷時九個月攻之不下，後因城內彈盡糧絕，姜瓖部下楊振威投敵叛變，殺死姜瓖，把多爾袞放入城內。入城後，為洩私憤，多爾袞下令“屠城”，並把城牆削掉五尺。自此，大同城牆失去了往日的雄風。
2008年，大同市全面實施了歷史文化復興與古城保護工程，對百分之七十遺存的古城牆包磚修復 大同古城牆得以再度修復，目前東城牆、南城牆已依明代大同城規制修復完畢，並對遊客開放。
修復後的東城牆建有甕城、月城、吊橋、護城河，並建有城樓、月樓、箭樓各1座，望樓12座。南城牆不僅修復了甕城、月城，還有關城和東西耳城。城牆上建有城樓、文昌閣、箭樓等古建築樓閣10座，望樓12座，角樓1座。修復後的古城牆雄偉壯觀，特別是夜幕降臨，華燈初上，古城夜景分外迷人，流光溢彩的燈光，使古城牆樓閣俊俏秀麗，偉岸的輪廓更具魅力。
以甕城為中心，向南北兩邊望去，城牆各有6處突出部分，俗稱城牆垛子。每個垛子上面各建有一座木樓，稱望樓。據瞭解，城牆本身結構而言，增加垛子就加大了牆身的剛度，而從軍事設防角度來看，它還增加了監視策應、側射和夾擊登城敵人的諸多防禦能力。有了城牆垛子，也增加了城牆的造型美和節奏感，使城牆造型更加雄偉壯麗。
大同城牆垛子突出城牆面多為13—15米，寬一般為17—25米不等，垛子間距96—115米。轉到東城牆的南北兩端，也就是古城牆的東南隅和東北隅兩個轉角處，還設有城角垛子。城角垛子較城牆正身垛子略大，上邊分別建有一座角樓，角樓較望樓略為高大。
