Thành Cổ Loa được xây bằng đất do thời ấy ở Âu Lạc chưa có gạch nung. Thành có 3 vòng. Chu vi ngoài 8 km, vòng giữa 6,5 km, vòng trong 1,6 km… Diện tích trung tâm lên tới 2 km².

Thành được xây theo phương pháp đào đất đến đâu, khoét hào đến đó, thành đắp đến đâu, lũy xây đến đó. Mặt ngoài lũy, dốc thẳng đứng, mặt trong xoải để đánh vào thì khó, trong đánh ra thì dễ. Lũy cao trung bình từ 4-5 m, có chỗ 8-12 m. Chân lũy rộng 20-30 m, mặt lũy rộng 6-12 m. Khối lượng đất đào đắp ước tính 2,2 triệu mét khối. Khu vực Cổ Loa được coi là một nền đất yếu nên việc xây dựng thành Cổ Loa có thể khó khăn và thành bị đổ nhiều lần là dễ hiểu. Khi xẻ dọc thành để nghiên cứu, các nhà khảo cổ học phát hiện kỹ thuật gia cố thành của Thục Phán: chân thành được chẹn một lớp tảng đá. Hòn nhỏ có đường kính 15 cm, hòn lớn 60 cm. Xung quanh Cổ Loa, một mạng lưới thủy văn dầy đặc đã được tạo ra, thành một vùng khép kín, thuận lợi cho việc xây dựng căn cứ thủy binh hùng mạnh. Thuở ấy, sông Thiếp – Ngũ Huyền Khê – Hoàng Giang thông với sông Cầu ở Thổ Hà, Quả Cảm (Hà Bắc) thông với sông Hồng ở Vĩnh Thanh (Đông Anh). Ngay sau khi xây thành, Thục An Dương Vương đã chiêu tập những thợ mộc giỏi, sử dụng gỗ ở địa phương đóng thuyền chiến. Nhân dân cũng được điều tới khai phá rừng đa (Gia Lâm), rừng Mơ (Mai Lâm), rừng dâu da (Du Lâm)… thành ruộng. Những hiệp thợ chuyên rèn vũ khí cũng xuất hiện, chế tạo côn, kiếm, dáo, mác và nỏ liên châu, mỗi phát bắn nhiều mũi tên. Có nhiều bằng chứng khảo cổ về sự tồn tại của hàng chục vạn mũi tên đồng, có thể dùng nỏ liên châu ở đây.

Thành Cổ Loa được các nhà khảo cổ học đánh giá là “tòa thành cổ nhất, quy mô lớn vào bậc nhất, cấu trúc cũng thuộc loại độc đáo nhất trong lịch sử xây dựng thành lũy của người Việt cổ”

Khi xây thành, người Việt cổ đã biết lợi dụng tối đa và khéo léo các địa hình tự nhiên. Họ tận dụng chiều cao của các đồi, gò, đắp thêm đất cho cao hơn để xây nên hai bức tường thành phía ngoài, vì thế hai bức tường thành này có đường nét uốn lượn theo địa hình chứ không băng theo đường thẳng như bức tường thành trung tâm. Người xưa lại xây thành bên cạnh con sông Hoàng để dùng sông này vừa làm hào bảo vệ thành vừa là nguồn cung cấp nước cho toàn bộ hệ thống hào vừa là đường thủy quan trọng. Chiếc Đầm Cả rộng lớn nằm ở phía Đông cũng được tận dụng biến thành bến cảng làm nơi tụ họp cho đến cả hàng trăm thuyền bè.