La ciudad se cercó con una fuerte muralla en la que hay que diferenciar dos etapas, la fundacional del siglo I d. C. y una segunda levantada en la segunda mitad del siglo III y la primera mitad del siglo IV, durante el Bajo Imperio. Ambas formaban parte de un recinto amurallado de planta rectangular y ángulos redondeados, con muros de gran espesor y lienzos entre las torres de planta semicircular que se distribuían a lo largo de la muralla.

Su perímetro total fue de unos 3.000 m abriéndose en los muros cuatro puertas, una en cada uno de los puntos cardinales, de las que apenas se sabe. Se han descubierto lienzos de muralla a lo largo de todo el perímetro de la ciudad. En el plano del mercado del año 1460 se conoce la existencia de un amplio tramo de muralla de once torres, hoy perdido, juntamente con la denominada Puerta de Toledo. También se citaron trozos de muralla en los bajos del Palacio de la Audiencia y en las casas vecinas. Igualmente en los cimientos de la torre noroeste de la Basílica del Pilar se encontraron restos a 3 m de profundidad. En el Coso, embutidos en el muro de medianil de dos casas se constataron algunos restos de la muralla que fueron reutilizados. Finalmente, podemos hablar de otros restos de muralla en la desembocadura de la calle San Jorge, y en el hall del Teatro Principal se localizó el relleno de opus caementicium con grandes cantos trabados con argamasa de un torreón aislado. Por último, se han localizado los sillares de una de las torres que flanqueaban la Puerta de Valencia en el sótano del edificio situado en el 147 del Coso.

De la muralla más antigua, realizada en hormigón, el tramo más significativo es el de San Juan de los Panetes. Dicho tramo está situado por detrás y debajo de la muralla de piedra bajoimperial y conserva un cubo de 10,96 m muy peraltado. El segundo punto importante de esta primitiva muralla lleva al torreón del Paseo de Echegaray y Caballero, siendo una obra con macizo de opus caementicium y aparejo externo de opus quadratum.

En la segunda mitad del siglo III tenemos noticias de la reedificación o remodelación de las murallas de Cesaraugusta. Estas murallas han sido llamadas "las murallas del miedo". En su construcción se utilizó la piedra de los numerosos restos de edificios y posiblemente también de lo que quedaba del puente de piedra impidiendo con la demolición de este último el acceso de los invasores desde el norte. Esta segunda muralla encierra todo el perímetro de la ciudad y prácticamente se superpone a la primera. Se conservan dos tramos en la zona de San Juan de los Panetes, de unos 80 m con lienzos de 14 m flanqueados por torreones de 8,30 m de diámetro, y en el convento del Santo Sepulcro, ambos visibles. Son notables las diferencias en los sillares, que evidencian tanto la procedencia diversa de los mampuestos como su cronología amplia. Este tramo se superpone directamente sobre el fuerte macizo de opus caementicium de la época de Augusto, dejando entre ambos un espacio vacío relleno de sillares dispuestos sin orden y mezclados con tambores de fustes de columnas, capiteles y materiales diversos, con una anchura total de 3,20 m. Aprovecha buen número de sillares del recinto inicial y se constata en las medidas de los sillares y en el tipo de tratamiento de los mismos con algunos casos de facetados y anathyrosis, además del uso inconstante de mortero pobre en cal. Destaca la preocupación defensiva de este recinto frente al escaso número de torres en la época augustea.

El tramo del convento del Santo Sepulcro conserva dos torreones de diámetro algo menor que los anteriores, (7,40 m) alzándose todo el conjunto sobre un nivel de arcillas aluviales. Estos torreones son visibles desde el interior del convento y en general la obra es de distinto carácter que la primera mencionada, con dos hiladas de sillares en resalte en su base. En esta zona se conservó el torreón augusteo del Paseo de Echegaray, lo cual hace pensar, más que en una construcción de nueva planta, en un reforzamiento de zonas y en el mantenimiento de otras.