Die auf 2,2 km erhaltene Stadtmauer verdeutlicht die Wehrhaftigkeit und Bedeutung der einstigen Freien Reichsstadt. Mühlhausen verfügt damit über eine nahezu vollständig erhaltene Verteidigungsanlage. Zugleich handelt es sich außerdem um eine der ältesten nichtrömischen Stadtmauern im deutschsprachigen Raum, da einige ihrer Bauteile bis in das frühe 13. Jahrhundert zurückgehen. Diese innere Befestigung umringt ein Areal von 49 Hektar, welches nach der Erfurter Altstadt das zweitgrößte Flächendenkmal in Thüringen darstellt. Von den einst vier Stadttoren hat sich das innere Frauentor aus dem Jahr 1655 bis heute bewahrt. Die übrigen Zugänge (das Erfurter und das Felchtaer Tor sowie das Görmartor) wurden bereits im 19. Jahrhundert wegen der Anlage breiterer Straßenzugänge zur Innenstadt hin abgerissen.

Aktuell lässt sich die innere Mauer auf einer Länge von 370 Metern erkunden. Einige der zahlreichen Wehrtürme und Rondelle wurden später zu Pavillons umgebaut. Sie beherbergen Themenräume zur historischen Nutzung der Anlage sowie zur Gefahrenabwehr im städtischen Umfeld. Die Aussichtsplattform des Rabenturmes (34,2 m) bietet einen eindrucksvollen Panoramablick über Mühlhausen und die Umgebung.

Von der ursprünglich ebenfalls vorhandenen 5,6 km langen äußeren Stadtbefestigung, welche die Vorstädte und eine Gesamtfläche von 182 Hektar umschloss, zeugt heute nur noch der schlanke Turm des äußeren Frauentors aus dem 15. Jahrhundert.