Theo di tích còn lại, thành Cổ Loa gồm 3 vòng thành khép kín là thành Nội, thành Trung và thành Ngoại. Thành Nội hình chữ nhật có chu vi 1650 mét, cao khoảng 5 mét, rộng khoảng từ 6 đến 12 mét và chỉ mở 1 cửa ở phía nam. Tương truyền đấy chính là nơi thiết triều của vua Thục. Thành Trung là một vòng thành khép kín bao phía ngoài thành Nội với chu vi 6500 mét, có 5 cửa là Bắc, Đông, Nam, Tây Bắc và Tây Nam, trong đó cửa Đông là một cửa đường thủy mở lối cho một nhánh sông Hoàng chảy vào sát thành Nội. Thành Ngoại dài khoảng 8000 mét có 3 cửa Bắc, Đông và Tây Nam, trong đó cửa Đông là cửa thông ra sông Hoàng. Cả ba vòng thành đều có ngoại hào nối với nhau và nối liền với sông Hoàng tạo thành một mạng lưới giao thông đường thủy rất tiện lợi. Ngoài 3 vòng thành và hào khép kín, khoảng giữa các vòng thành và phía ngoài thành Ngoại còn có nhiều đoạn lũy và ụ đất được bố trí và sử dụng như những "công sự" phòng vệ nằm trong cấu trúc chung của thành.

Thành Cổ Loa với những di tích hiện còn là công trình lao động đồ sộ một kỳ công của người Việt cổ trong buổi đầu dựng nước, khi dân số Âu Lạc thuở đó mới khoảng 1 triệu người. Cấu trúc và kỹ thuật xây dựng thành Cổ Loa biểu thị tài năng sáng tạo của nhân dân Âu Lạc. Đây là một kiến trúc quân sự kiên cố được phòng vệ chắc chắn, kết hợp chặt chẽ giữa quân bộ và quân thủy. Thành Cổ Loa còn biểu thị một bước phát triển mới của Nhà nước Âu Lạc, của quyền lực xã hội và sự phân hóa xã hội. Tất nhiên di tích thành Cổ Loa hiện nay có phải hoàn toàn chỉ là tòa hình thời An Dương Vương hay nó còn được tu bổ, bồi đắp, xây dựng thêm trong các đời sau. Phân biệt một cách thật rạch ròi đâu là di tích thời An Dương Vương và đâu là di tích các thời đại sau cũng đang còn là dấu hỏi của sử học.

Trong cuộc chiến tranh chinh phục Bách Việt, quân Tần tuy bị tổn thất nặng nề và thất bại ở Âu Lạc, nhưng đã chiếm được miền đất rộng lớn của người Việt và lập ra 4 quận là Mân Trung (Chiết Giang, Phúc Kiến, Nam Hải (Quảng Đông), Quế Lâm (bắc và đông Quảng Tây) và Quận Tượng (tây Quảng Tây và nam Quý Châu). Năm 210 TCN, Tần Thủy Hoàng chết, đế chế Tần suy yếu, 4 quận ở phía nam trên thực tế đã thoát khỏi sự quản lý và kiểm soát của triều đình trung ương. Triệu Đà (vốn là người Hán) tranh thủ cơ hội chiếm lấy quận Nam Hải; giữ các cửa ải và chặn các đường giao thông từ bắc xuống, diệt trừ những quan lại nhà Tần có ý chống đối và thay bằng những người thân cận, cùng phe cánh lập ra chính quyền cát cứ của họ Triệu ở Phiên Ngung. Năm 205 TCN, nhà Tần bị nhà Hán tiêu diệt, Triệu Đà lập tức đánh chiếm cả Quế tâm và Quận Tượng lập ra nước Nam Việt, đóng đô ở Phiên Ngung. Triệu Đà đã lợi dụng sự sụp đổ của đế chế Tần để thực hiện mưu đồ cát cứ và lợi dụng tình trạng lộn xộn của nhà Hán khi mới thành lập để củng cố và phát triển chính quyền của mình. Buổi đầu nhà Hán chấp nhận chính quyền cát cứ của Triệu Đà, phong cho Triệu Đà làm Nam Việt Vương. Triệu Đà trên danh nghĩa thần phục nhà Hán, nhưng trong thực tế vẫn hoàn toàn nắm thực quyền và ra sức củng cố lực lượng cát cứ ở Nam Việt. Năm 183 TCN, Triệu Đà lập thành một nước riêng, không chịu thần phục nhà Hán và đẩy mạnh các hoạt động bành trướng lãnh thổ, trong đó hướng chủ yếu là nước Âu Lạc ở phương Nam (2). Quân xâm lược nhà Triệu đã nhiều lần tiến vào Tiên Du, Vũ Ninh, sông Bình Giang (vùng Bắc Ninh ngày nay). Lực lượng quốc phòng của An Dương Vương lúc bấy giờ khá hùng mạnh với số quân đông, được huấn luyện chu đáo, có vũ khí tết với loại nỏ Liên Châu, có tòa thành Cổ Loa kiên cố. Dưới sự lãnh đạo của An Dương Vương và những tướng soái tài ba như Cao Lỗ, quân dân Âu Lạc đã nhiều lần đánh bại và đánh lui quân xâm lược Triệu Đà ở vùng núi đồi Tiên Du và Vũ Ninh.

Sau nhiều lần tấn công thất bại, biết không thể chinh phục nước Âu Lạc bằng vũ lực, Triệu Đà quyết định thay đổi thủ đoạn xâm lược. Triệu Đà xin giảng hòa với An Dương Vương và xin cầu hôn công chúa Mỵ Châu cho con trai mình là Trọng Thủy. Lợi dụng tục ở rể của người Việt, Triệu Đà cho Trọng Thủy sang ở rể tại kinh thành Cổ Loa. Các tướng lĩnh của An Dương Vương lúc đó như Cao Lỗ, Nồi Hầu đã thấy rõ âm mưu của Triệu Đà, ra sức khuyên can nhưng ông không nghe và từng bước bị quân giặc dẫn dắt vào cạm bẫy. An Dương Vương bị lung lạc ý chí chiến đấu, tê liệt tinh thần cảnh giác, nội bộ trong triều bất hòa, chia rẽ. Nhiều tướng giỏi như Cao Lỗ, Nồi Hầu, Đinh Toán... đã bị bạc đãi, bị giết hại hay phải bỏ đi. Trong khi đó, Trọng Thủy lại lợi dụng cương vị con rể và tình yêu chân thành của Mỵ Châu để "xem trộm nỏ thần, ngầm làm máy nỏ khác, đổi móng rùa vàng giấu đi" ...., như các sách sử của Việt Nam và Trung Quốc chép. Điều này có thể được hiểu là Trọng Thủy đã đánh cắp các bí mật quân sự, làm mất uy thế, làm suy yếu lực lượng quốc phòng của nước Âu Lạc. Do những sai lầm chủ quan của mình mà An Dương Vương bị đẩy vào tình thế cô lập, xa rời nhân dân, xa rời những người cương trực và tài giỏi, khiến cho vận nước đang đứng trước bờ vực thẳm.

Được tin báo của Trọng Thủy, Triệu Đà lập tức tiến quân xâm lược nước Âu Lạc, bất ngờ đánh thẳng vào thành Cổ Loa. Cuộc chiến đấu của An Dương Vương bị thất bại. Cơ đồ của Âu Lạc đã bị chìm đắm. Đất nước rơi vào thảm họa hơn 1000 năm bị Bắc thuộc.

Việt Nam trong bối cảnh chung của Đông Nam Á, nằm ở khu vực quê hương của loài người. Sống ở nơi gió mùa, thuộc vùng nhiệt đới ẩm, thế giới thực, động vật phong phú, đa dạng, cư dân nguyên thủy vùng này từ hái lượm và săn bắt đã sớm biết thuần hóa một số loài thực vật, phát minh ra nghề trồng trọt cách đây khoảng 1 vạn năm. Vì thế, Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam lại được ghi nhận là một trong những trung tâm phát sinh nông nghiệp sớm của loài người. Vào Hậu kỳ đá mới, cách ngày nay khoảng 5 - 6 nghìn năm, cư dân Việt Nam và Đông Nam Á đã từ một nền nông nghiệp sơ khai tiến lên nền nông nghiệp trồng lúa nước... Tất cả những thành tựu văn hóa tiền sử đó là những bước chuẩn bị, là tiền đề đưa lịch sử Việt Nam vào thời đại dựng nước và giữ nước đời Hùng Vương - An Dương Vương, đánh dấu một bước phát triển vượt bậc về mọi mặt của tiến trình lịch sử dân tộc.

Trong thời đại dựng nước, ta có nhiều thành tựu lớn, trong đó hai thành tựu cơ bản nhất là đã tạo dựng được một nền văn minh rực rỡ - nền văn minh Sông Hồng và hình thái Nhà nước sơ khai - Nhà nước Văn Lang - Âu Lạc . Những thành tựu này không chỉ là những bằng chứng hùng hồn xác nhận thời đại Hùng Vương - An Dương Vương là những thời đại có thật mà còn chứng minh rằng chúng ta có một lịch sử dựng nước sớm, một nền văn hiến lâu đời; tạo ra nền tảng bền vững cho toàn bộ sự sinh tồn và phát triển của quốc gia dân tộc Việt Nam. Từ đấy, người Việt trên cơ sở một lãnh thồ chung, một tiếng nói chung, một cơ sở kinh tế - xã hội gắn bó trong một thể chế Nhà nước sơ khai, một lối sống mang sắc thái riêng, biểu thị trong một nền văn minh, văn hóa chung, đã tự khẳng định sự tồn tại của mình như một quốc gia văn minh có đủ điều kiện và khả năng vững vàng tiến lên vượt qua mọi thử thách hiểm nghèo của thời kỳ đen tối nhất trong lịch sử thời kỳ hơn 1000 năm thống trị của phong kiến phương Bắc.

------------------------------------------------

(1): Về thời gian tồn tại của nước âu Lạc cho đến nay vẫn còn các ý kiến khác nhau, Theo sách Đại Việt sử kí toàn thư thì Thục Phán lập ra nước Âu Lạc vào năm 257 tr.CN và ở ngôi 50 năm (đến năm 208 tr.CN). Sách Việt sử thông giám cương mục thế kỷ XIX đã chỉ ra sự bất hợp lý trong những ghi chép trên của ĐVSKTT. Thục Phán không phải người Tứ xuyên (Trung Quốc) mà là tù trưởng bộ lạc Tây âu ở vùng Việt Bắc - Tây Bắc nước ta và cuộc kháng chiến chống Tần của người Tây Âu - Lạc Việt chỉ diễn ra trong khoảng thời gian từ năm 214 tr.CN đến 208 tr.CN. Nước âu Lạc ra đời trên cơ sở thắng lợi của cuộc kháng chiến chống Tần, nên có thể lấy mốc mở đầu là năm 208 tr.CN. Sách Sử ký chép rằng, sau khi Cao Hậu chết (180 tr.CN), Triệu Đà mới chiếm được nước âu Lạc, nên chúng tôi cho rằng thời điểm kết thúc nước Âu Lạc vào khoảng năm 179 tr.CN.
(2): Có ý kiến cho rằng Nhà Triệu là triều đại mở đầu nghiệp đế vương của nước ta. Thực tế, Triệu Đà là người huyện Châu Định (Trung Quốc), lập ra một triều đình cát cứ trên đất Trung Quốc và thôn tính nước Âu Lạc, nên không thể coi là triều đình đại diện của nước Âu Lạc, càng không phải là đại diện chung của khối cộng đồng cư dân sống trên đất Văn Lang – Âu Lạc..

Nguồn: Nguyễn Quang Ngọc 2006, Chương I - Việt Nam từ thời tiền sử đến thời dựng nước, Tiến trình Lịch sử Việt Nam, Hà Nội, Giáo Dục, Tr.30 – 35

Có ý kiến cho rằng vòng thành trong cùng của Cổ Loa là xây sau (có thể do Mã Viện xây) vì:
-Thành xây hình chữ nhật khác với hai vòng ngoài
-Trên thành có dấu tích các vọng lâu, có sử dụng gạch ngói
Đây là kiến trúc phương Bắc (kiểu Vạn lí trường thành)