En la primera mitad del siglo XVI una nueva muralla fue construida frente a la vieja cerca medieval donostiarra, facilitando el espacio comprendido entre ambas una pequeña expansión de la trama urbana que en los años siguientes generará la "Plaza vieja" en el entorno del principal acceso de la población: la Puerta de Tierra.
No está muy clara la autoría del proyecto inicial de la muralla. Descartada la intervención de Pedro Navarro, parece más factible la participación del alcaide de Hondarribia Diego de Vera. Hacia 1528 trabajó en ella Gabriel Tadino de Martinengo, mientras que Benedicto de Rávena realizó también una propuesta en 1534.
La muralla tenía 280 m de longitud, 15 m de grueso y una altura media sobre el nivel del foso de 13 m. Constaba de un terraplén de tierra de 9 m de grueso, limitado hacia el lado de la campaña por un muro principal de mampostería ordinaria de 6 m de grueso recubierto exteriormente de sillería. En lugares próximos al mar los cimientos se apoyaban sobre pilotes de madera.
El terraplén estaba limitado hacia la Plaza por un muro de contención dotado de contrafuertes que facilitaban su estabilidad y de escaleras que permitían el acceso al adarve. El interior de la muralla contaba con siete casamatas donde podían instalarse piezas artilleras con la misión de batir el arenal.
En el parapeto -de 5,5 m de grueso- dispuesto en la parte superior de la muralla se abrían catorce cañoneras, que en el siglo XIX se vieron reducidas a once. Entre cañonera y cañonera existía una banqueta con varios escalones de acceso.
Aproximadamente en el punto medio de la muralla fue levantado hacia 1530 un baluarte denominado Cubo Imperial. En el extremo occidental se alzaba el cubo de planta circular denominado del Ingente (1542), sustituido por el medio baluarte de San Felipe (1637-82) y su contraguardia que, diseñada de forma deficiente, fue totalmente remodelada entre 1754 y 1755, prolongándose hacia el sur por medio de un muro guardamar de menor altura terminado en una rampa. En la parte oriental de la muralla principal fue construido el cubo de Torrano, al que sustituyó el medio baluarte de Santiago (1637-82), de dimensiones ligeramente menores que el de San Felipe.
El Frente de tierra se completaba con las fortificaciones exteriores que ocupaban el espacio comprendido entre el actual Boulevard y la calle de Andía. Estaban constituidas por un foso principal antepuesto a la muralla, por un hornabeque (1637-39) y por un revellín que protegía la cortina del hornabeque, estableciéndose la comunicación entre los dos últimos por medio de una caponera o pasillo a cubierto.
Contraguardia, hornabeque y revellín estaban rodeados por un foso secundario que desembocaba en el foso principal y de un camino cubierto dotado de parapeto, plazas de armas y traveses. Desde el parapeto del camino cubierto el terreno descendía hacia la campaña por la suave pendiente del glacis. Todos estos elementos fueron construidos con posterioridad a la muralla principal, haciendo que las casamatas de la misma dejaran de ser operativas.
El frente occidental estuvo defendido por una muralla de mampostería desplazada algunas decenas de metros con relación a la cerca medieval. Tenía dos metros de grueso y su sector meridional estuvo bañado por el mar hasta que se construyó en 1851 la nueva dársena del puerto.
Por la parte superior de la muralla discurría un camino de ronda protegido por un parapeto a cada lado. Tuvo dos puertas: la del "Muelle Viejo" -pronto clausurada- y la "de Mar". Sobre esta última dos piezas de artillería, reforzadas por las existentes en la batería de Santa Teresa, permitían en el s. XVIII el flanqueo del frente occidental.
Tras la ampliación del puerto (1851), se habilitó la Puerta del muelle nuevo en las proximidades del actual Palacio Goikoa. Cuando en 1864 fue derribado el frente meridional, la muralla occidental permaneció relativamente intacta hasta 1880, año en el que se derribó parcialmente, formándose un paseo sobre ella. Como elementos característicos (además de las puertas) es preciso citar varias cañoneras y aspilleras que -actualmente cegadas- se abren hacia el puerto.
El frente oriental constaba de una muralla de mampostería (denominada de La Zurriola) en cuya construcción (1544) participó Luis Pizaño. Tenía 264 m de largo, en torno a 3 m de grueso y 10 m de altura. En líneas generales seguía el trazado de la muralla medieval, pues la proximidad del mar impedía cualquier ampliación de la trama urbana. Por su parte superior transcurría un camino de ronda dotado a ambos lados de parapeto.
Hacia el extremo norte estaba flanqueada por el baluartillo de San Telmo y hacia el meridional por un cubo con planta semicircular denominado de Amézqueta. A 30 metros de éste se levantaba el cubo de Los Hornos, ambos datados hacia 1542. La muralla finalizaba con un sector de 18 m que unía el cubo de Los Hornos con el Baluarte de Santiago.
Este frente demostró ser el más débil y en él se cebó la artillería asaltante en los sitios de 1719 y 1813. Tras este último, las tropas inglesas construyeron en la zona de la brecha abierta en el recinto murado una cortadura destinada a la defensa de la ciudad.
Una parte importante de las fortificaciones fueron derribadas en 1864, pero un sector considerable de la muralla oriental permaneció algunos años en pie, hasta que la construcción de un nuevo muro de costa permitió ampliar la ciudad hacia el este (Ensanche oriental).