Το Φρούριο της Μήθυμνας είναι κτισμένο από κοκκινωπό και καφέ τραχείτη στη κορυφή βραχώδους λόφου όπου αναπτύσσεται ο οικισμός. Έχει σχήμα ακανόνιστου τραπεζίου με πλευρά περίπου 70 μ. Θεμελιώθηκε κατά τους βυζαντινούς χρόνους πάνω στα ερείπια της αρχαίας οχύρωσης. Κατά μια άποψη, το κάστρο χτίστηκε μετά τα μέσα του 13ου αιώνα με σκοπό να καταστεί δυνατή η αντιμετώπιση των Τούρκων και Φράγκων επιδρομέων. Στα τέλη του 13ου αιώνα πέρασε στα χέρια των Καταλανών. Το 1373 ο Γατελούζος Φραγκίσκος Α’ επέφερε ενισχύσεις και επισκευές στο κάστρο. Η σημερινή μορφή του είναι αποτέλεσμα των εργασιών του 14ου αι. και των οθωμανικών προσθηκών μετά το 1462. Το μεγαλύτερο μέρος του είναι δομημένο κατά το ψευδοϊσόδομο σύστημα τοιχοποιίας. Χρησιμοποιήθηκαν μεγάλοι λαξευμένοι λίθοι από βασαλτικό πέτρωμα. Η ΒΑ πλευρά παρουσιάζει ομαλότερο έδαφος, που επέβαλε την οικοδόμηση υψηλότερων προτειχισμάτων για την εξασφάλιση μεγαλύτερης προστασίας. Για ασφαλέστερη οχύρωση οικοδομήθηκαν σε πυκνή διάταξη δέκα υψηλοί πύργοι αρχικά τετράγωνης και ακολούθως κυκλικής κάτοψης περιμετρικά του φρουρίου. Στη ΝΔ πλευρά υπάρχει εξωτερικό προτείχισμα και η πρόσβαση στο φρούριο γίνεται σταδιακά μέσω τριών διαδοχικών πυλών. Από την εποχή του Βυζαντίου σώζεται υπόγεια υδροδεξαμενή μεγάλου μεγέθους με τοξωτή επιστέγαση, ο πύργος 6 και η πύλη 3. Από την εποχή της οθωμανικής κυριαρχίας διατηρείται στο νότιο τμήμα της εισόδου ένα τριμερές κτίσμα με θόλο. Χρησιμοποιήθηκε ως φυλακή, ενώ κατά μια άλλη εκδοχή ως πυριτιδαποθήκη. Στο βόρειο τμήμα του φρουρίου δύο ακόμη οικοδομήματα αποτελούσαν καταλύματα της φρουράς. Σε πολλά σημεία των τειχών ο επισκέπτης θα παρατηρήσει εντοιχισμένες πλάκες που φέρουν επιγραφές ή άλλα διακριτικά.
