Vào thời Âu Lạc, Cổ Loa nằm vào vị trí đỉnh của tam giác châu thổ sông Hồng và là nơi giao lưu quan trọng của đường thủy và đường bộ. Từ đây có thể kiểm soát được cả vùng đồng bằng lẫn vùng sơn địa. Cổ Loa là một khu đất đồi cao ráo nằm ở tả ngạn sông Hoàng. Con sông này qua nhiều thế kỷ bị phù sa bồi đắp và nay đã trở thành một con lạch nhỏ, nhưng xưa kia sông Hoàng là một con sông nhánh lớn quan trọng của sông Hồng, nối liền sông Hồng với sông Cầu, con sông lớn nhất trong hệ thống sông Thái Bình. Như vậy, về phương diện giao thông đường thủy, Cổ Loa có một vị trí vô cùng thuận lợi hơn bất kỳ ở đâu tại đồng bằng Bắc Bộ vào thời ấy. Đó là vị trí nối liền mạng lưới đường thủy của sông Hồng cùng với mạng lưới đường thủy của sông Thái Bình. Hai mạng lưới đường thủy này chi phối toàn bộ hệ thống đường thủy tại Bắc bộ Việt Nam. Qua con sông Hoàng, thuyền bè có thể tỏa đi khắp nơi, nếu ngược lên sông Hồng là có thể thâm nhập vào vùng Bắc hay Tây Bắc hi 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. 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.
Chất liệu chủ yếu dùng để xây thành là đất, sau đó là đá và gốm vỡ. Đá được dùng để kè cho chân thành được vững chắc. Các đoạn thành ven sông, ven đầm được kè nhiều đá hơn các đoạn khác. Đá kè là loại đá tảng lớn và đá cuội được chở tới từ các miền khác. Xen giữa đám đất đá là những lớp gốm được rải dày mỏng khác nhau, nhiều nhất là ở chân thành và rìa thành để chống sụt lở. Các cuộc khai quật khảo cổ học đã tìm thấy một số lượng gốm khổng lồ gồm ngói ống, ngói bản, đầu ngói, đinh ngói. Ngói có nhiều loại với độ nung khác nhau. Có cái được nung ở nhiệt độ thấp, có cái được nung rất cao gần như sành. Ngói được trang trí nhiều loại hoa văn ở một mặt hay hai mặt.
Thành Cổ Loa theo tương truyền gồm 9 vòng xoáy trôn ốc, nhưng căn cứ trên dấu tích hiện còn, các nhà khoa học nhận thấy thành có 3 vòng, trong đó vòng thành nội rất có thể được làm về sau, dưới thời Ngô Quyền. Chu vi vòng 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 thoải để đánh vào thì khó, trong đánh ra thì dễ. Lũy cao trung bình từ 4–5 m, có chỗ cao đến 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.
