汉长安城的城墙由汉高祖的继位者汉惠帝主持建造。其经过据《史记》载:“三年(公元前192年),方筑长安城,四年就半,五年六年城就。”司马贞引《汉宫阙疏》云:“四年筑东面,五年筑北面。”据《汉书》较详细的记载,惠帝元年(公元前194年)春正月开始修筑城墙。大规模的动工则在惠帝三年(公元前192年)春,动员长安附近600里(约合今250.5公里)以内的男女民夫146000人,30日乃罢。同年6月,又征发诸侯王、列侯徒隶2万人继续筑城。蒽帝五年(公元前190年)春,又征发长安附近600里以内男女民夫145000人筑城,仍30日乃罢。到当年九月,工程全部结束。
    汉长安城的城墙是横断面为梯形的版筑夯土墙。夯土层次清晰,每层厚度约10厘米。夯土土质纯净。据《三辅黄图》载:“高三丈五尺(合今8.23米),下阔一丈五尺(合今3.53米),上阔九尺(合今2.12米),雉高三坂,周回六十五里。城南为南斗形,北为北斗形,至今人呼汉京城为斗城是也。”
    中国科学院考古研究所汉城发掘队于1956年至1961年对汉长安城遗址进行了勘察发掘,证明汉长安城墙方向基本上正南正北,东城墙长5940米,南城墙长6250米,西城墙长4550米,北城墙长5950米。除东墙较直外,南、北、西三墙均有曲折。合计城墙周长25100米,相当于汉里60里强,与《汉旧仪》记载的“城方六十里”最为接近。据实测,墙基宽16米,残高近8米,下宽上窄,从城墙残存最高处的高度和城墙上部宽度以及能够看得蚩的收分看,原高至少10米以上。《三辅黄图》所载显然不确。城垣面积约35平方公里,平面略呈方形,但南城墙和北城墙西北角有几处曲折,南城墙曲折成南斗状,西北角曲折作北斗七星状。至于为何筑成这等形状,汉代文献缺乏记载。到魏晋时,人们认为这是有意模仿天象,产生“斗城”之说。《史记索隐》引《三辅旧事》云:“(长安)城形似北斗。”
    实际上,关于汉长安城南、北城墙的曲折形状,古代学者早就指出,这是筑城时根据地形特点规划而成的,并非有意模仿天象。元李好文《长安志图》说:“《三辅旧事》及《周地图》曰:‘长安城南为南斗形,北为北斗形。’今观城形,信然。然汉志及班、张二赋皆无此说。予尝以事理考之,恐非有意为也。盖长乐、未央,酂侯(萧何)所作,皆据岗阜之势,周二十余里,宫殿数十余区。惠帝始筑都城,酂侯已没。当时经营,必须包二宫在内。今南城及西城两方突出,正当两宫之地,不得不曲突以避之也。其西二门以北,渭水向西南而来,其流北据高原,千古无改,若取东城正方,不惟太宽,又当渭之中流。人有至其北城者,言其委曲迂回之状盖是顺河之势,不尽类斗之形。以是言之,岂后人偶以近似目之也欤?”
    今至汉长安城北城考察,犹可证实李好文的看法是正确的。但他说渭河之流“北据高原,千古无改”则属臆断。其实两千多年来渭河一直不断缓慢北移。今未央区北境的草滩农场一带在秦代本是渭河北岸,由于渭河北移,现已变为渭河南岸;据《三辅黄图》记载,位于今未央区六村堡乡关庙村和相家巷之间的横门,汉代时距渭河上的横桥1.5公里,今横门遗址则距渭河5.5公里,足见渭河北移已冲掉秦咸阳城南4公里多宽。因此,当年汉长安城北特别是西北角迫近渭河,筑城时必须“顺河之势”由西南向东北斜行,作“委曲迂回之状”。
    汉长安城城墙今以南城墙和东城墙保存较好。北城墙和西城墙多已夷为平地,仅有残段遗存。特别是有的村庄如民娄村、夹城堡、卢家口依城墙修筑,以此为标志仍可探寻到城墙残迹。在未央宫前殿西北的卢家口,村西即依傍西城墙,村南有长约200米的汉城墙残段,被村民称为“一堵墙”。