Le mura, lunghe circa 2700 m, erano rettilinee sui lati meridionale ed orientale, mentre avevano un andamento leggermente curvo per gran parte del lato nord. La tecnica edilizia adottata fu l'opera quadrata, che prevedeva l'uso di grandi blocchi di pietra, squadrati e disposti su filari orizzontali.
Furono impiegati materiali diversi: per gran parte dell'elevato delle mura fu utilizzato il calcare cavernoso, una pietra facile al taglio, reperibile nei Monti Pisani e nel Camaiorese, mentre nei tratti noti del lato settentrionale dominò l'uso del duro calcare bianco dei Monti Pisani, più difficile da lavorare in blocchi squadrati. Lo spessore dell'elevato era in media di 2,50 m e l'altezza doveva raggiungere almeno 7 m.
Non sembra che le fortificazioni originarie fossero dotate di torri, se non forse nel punto di raccordo tra la parte curvilinea e quella rettilinea del lato settentrionale: in questo tratto infatti, sotto Palazzo Andriani, furono individuati i resti di una struttura d'incerta identificazione.
Le quattro porte principali si aprivano in corrispondenza dei due assi viari più importanti della città, cardo e decumanus maximi (Lucca-città romana): la prima sul lato est, presso l'attuale piazza S. Maria, detta significativamente "foris portam"; la seconda sul lato nord, all'incrocio tra via Mordini e via Fillungo; la terza sul lato ovest, all'incrocio tra via S.Paolino e via Galli Tassi; la quarta, infine, sul lato sud, in prossimità dell'incrocio tra via della Dogana e Corso Garibaldi. Nel III secolo d.C., quando la stessa Roma venne dotata di mura, anche le fortificazioni lucchesi, nuovamente necessarie per la difesa della città, furono rimesse in efficienza.
Nel 553 d.C., la città resistette a lungo all'assedio dell'esercito bizantino di Narsete e, alla fine del secolo, divenne un'importante piazzaforte longobarda. Le mura romane restarono ancora in uso nel periodo altomedievale e, come è stato recentemente ipotizzato, anche il particolare andamento del lato occidentale non è dovuto ad un ampliamento realizzato in questa epoca ma costituisce il percorso originario delle fortificazioni.