L'enceinte des IIIe-IVe siècles de notre ère court sur plus de 1200 m autour de la butte.
Son tracé correspond au rempart intérieur médiéval à l'exception cependant de deux parties : sur l'angle sud-ouest et sur le tronçon compris entre la tour du Trésau et la tour du Moulin du Connétable, en retrait duquel les maçonneries arasées affleurent encore.
Courtines et tours sont réalisées en petit appareil de cubes de grès soigneusement taillés entrecoupés de lits de briques.
Sur la trentaine de tours qui armaient initialement la construction, 22 sont parvenues jusqu'à nos jours, certaines sous la forme de vestiges, d'autres conservées sur des élévations complètes. Tel est particulièrement le cas des tours du Moulin du Connétable, du Vieulas et de la Marquière qui s'imposent sur le front nord.
Leurs plans sont en forme de fer à cheval, semi-circulaires vers l'extérieur, à dos plat vers la ville enclose. Au-dessus de bases cubiques, les deux premiers niveaux sont construits en maçonneries pleines afin de consolider l'ensemble de la construction. Les ouvertures, en arc en plein cintre, sont cantonnées aux derniers niveaux.
Deux poternes aux linteaux soulagés par des arcs de décharge en briques et plaquettes de grès subsistent dans la muraille : l'une est placée au contact de la tour Pinte, l'autre confronte la tour du Moulin d'Avar.
La tour Saint-Sernin
C'est une tour gallo-romaine en forme de fer à cheval bâtie sur le front oriental de la fortification. L'appareil de sa maçonnerie caractéristique du Bas Empire présente une alternance de rangées de petits blocs de grès et des lits réguliers en brique. La tour était dotée, à l'origine, de fenêtres en plein cintre.
Au sommet, la maçonnerie à bossages accuse nettement l'intervention des ingénieurs royaux qui ont armé à la fin du XIIIe siècle l'ensemble des courtines antiques de parapets crénelés. Elle a servi d'abside à l'église Saint-Sernin construite contre le rempart au XIIIe siècle, et détruite sous la Révolution française. Afin de parfaire la diffusion de la lumière dans le sanctuaire au XVe siècle, une grande fenêtre à remplage a été créée dans l'appareil antique.
Les tours du Moulin du Connétable, du Vieulas, de la Marquière
Ces trois tours antiques du front nord sont élevées sur de larges bases cubiques. Des parties de maçonneries réalisées en matériaux de remploi accusent ici les travaux en sous-œuvre entrepris dans le deuxième quart du XIIIe siècle. Ces derniers sont à l'origine de la déstabilisation des ouvrages comme le montre le dévers spectaculaire de la tour du Vieulas. Les premiers niveaux sont constitués de maçonneries pleines qui renforcent la structure de l'ensemble. Les tours du Moulin du Connétable et du Vieulas ont été reconstruites en partie haute à la fin du XIIIe siècle ; en revanche, la tour de la Marquière, conserve dans son niveau supérieur les ouvertures antiques couvertes d'arcs en plein cintre, dans l'espace desquels, les maîtres d'œuvre du Moyen Age ont aménagé de fines et longues archères afin de compléter la défense de la place.
La Poterne d’Avar
Ouverte dans la courtine flanquant de la tour du même nom, la poterne d'Avar conserve son encadrement et son linteau réalisés en gros blocs de grès. L'arc en plein cintre qui décharge la baie est formé de briques alternant avec des plaquettes de pierre.