L'aspetto attuale, che risale alla prima metà del '600, è una conseguenza naturale delle continue modifiche apportate alle vecchie mura. I lavori per la costruzione dell'ultima cerchia sono iniziati nel 1544 con la realizzazione della base in mattoni.

Nel 1561, grazie ai disegni di Francesco Paciotti da Urbino, il piano per la nuova fortificazione si fa più delineato. Ma prima del progetto elaborato da Alessandro Farnese, nel 1589, non si ebbe mai una visione univoca e ben delineata di come sarebbe stato il monumento ad opera conclusa.
Il lavoro del Farnese ispirò gli ingegneri e gli architetti che seguirono il progetto nella fase successiva. Le mura furono concluse nel 1645. Per i lavori esterni, curati da Paolo Lipparelli, fu necessario attendere altri cinque anni.
E così si arriva alla struttura definitiva dell'attuale cerchia muraria, che, articolata in un percorso irregolare, è lunga 4.195 metri. Il monumento è formato da dodici cortine di 30 metri di spessore di base ed è sostenuto dall'esterno da un muro di mattoni altro dodici metri.
I baluardi sono undici: S.Paolino, S.Donato, S.Croce, S.Frediano (che non e mai stato ricostruito per la protezione naturale del fiume), S.Martino, S.Pietro, S.Salvatore, La Libertà, S.Regolo, S.Colombano e S.Maria (l'unico che conserva ancora la forma quadrata progettata dal Pacinotti). Su ogni baluardo sono state poi costruite delle casermette, che venivano utilizzate come alloggio dalle guardie dei baluardi stessi o come magazzino per le munizioni.

Impressionante la fortificazione esterna, che comprendeva il fossato, il terrapieno e dodici mezzelune con basamento in muratura.
Le mura presentavano tre porte monumentali chiuse da ponti levatoi e saracinesche: porta S.Pietro (realizzata nel 1566), porta S.Maria (1593) e porta S.Donato (1629). Attualmente esistono sei porte e alcune sortite, realizzate solo di recente.

Le mura, che per essere state costruite troppo tardi non sono mai servite a scopo difensivo, nel corso degli anni hanno subito alcuni mutamenti.