Die innere, älteste Mühlhäuser Stadtmauer war knapp 2,8 Kilometer lang (davon sind 2,2 Kilometer bis heute erhalten) und umschloss ein Gebiet von rund 50 Hektar Fläche. Diese Fläche hatte die Gestalt eines etwas gerundeten und nicht ganz ebenmäßigen Rechtecks, dessen maximale Ost-West-Ausdehnung fast doppelt so lang ist (1000 Meter) wie seine maximale Nord-Süd-Ausdehnung (500 Meter). Zu ihrem ursprünglichen Bestand gehörten die vier Haupttore, nämlich das Görmartor im Nordosten, das Erfurter Tor im Südosten, das Felchtaer Tor im Südwesten und das nach der Marienkirche (=Frauenkirche) benannte Frauentor im Nordwesten sowie wahrscheinlich vier Pforten: die Eselspforte und die Burgpforte auf der Nordseite sowie die – namentlich nicht bekannte – Pforte am Ausgang der Brunnenkreßstraße und eine weitere, nur erschlossene Pforte zur Spielbergstraße auf der Südseite.

Ob der ursprüngliche Hauptzugang zur Burg über die Breitenstraße bereits mit dem Bau der Mauer zwischen Burg und Stadt vor 1251 geschlossen wurde oder erst nach dem Abriss der Burg ab 1256, ist ungeklärt.

Als Material für die innere (und später auch äußere) Stadtmauer einschließlich der Tore und Türme wurde der in Mühlhausen vorkommende und hier gebrochene Travertin verwendet, ein geologisch junger Süßwasserkalk.

Die innere Stadtmauer wurde als zweischaliges Mauerwerk ausgeführt. Ihre Stärke bis zur Höhe des Wehrgangs schwankt zwischen etwa 1,5 Metern und – nur ausnahmsweise erreicht – maximal 2 Metern.