През многовековното съществуване на града многократно се изграждат крепостни стени и съоръжения, които правят полуострова недостъпен. Първите засвидетелствани заселници на полуострова – траките, пристъпват към укрепване на селището си към VІІІ в. пр.Хр. На северозападния бряг е разкрита крепостна стена от това време заедно с портата. Градена е от ломени камъни и кал и е запазена на височина около 2 метра.

При колонизацията в края на VІ в. пр.Хр. гръцките заселници не изграждат веднага нова укрепителна система. Към това те пристъпват едва в края на V и началото на ІV в.пр.Хр., като някои части от крепостните стени се изграждат и през ІІІ в.пр.Хр. Градежът е от големи каменни блокове с обработени лица и подравнени в редове, без спойка. Вътрешността на крепостните стени е пълна с ломени камъни и пръст. Проучено е трасето на гръцката крепостна стена в западната част на града – на някои места тя се застъпва с по-късната византийската крепостна стена.

При завладяването на Месамбрия от римляните крепостните съоръжения остават почти непострадали и се използват през следващите векове. След разпадането на Римската империя управниците на Византия предприемат активна строителна дейност и в средата на V в. в Месемврия се издигат нови крепостни стени, градени в “опус микстум” – редуване на пояси от камъни и тухли. Най-добре е съхранена крепостната стена около градската порта. Тук тя е с лице от големи каменни блокове, обработени в правоъгълна форма. Портата е фланкирана от две правоъгълни кули, а встрани от тях симетрично са изградени полукръгли и кръгли кули. Две врати – спускаща се и двукрила - затварят плътно входа на града. По време на ранновизантийската епоха е издигната крепостна стена и на югозападния бряг, запазена и до днес.

Ранновизантийската укрепителна система се използва през цялото средновековие. На няколко пъти при нападения е сериозно повреждана, но бързо след това е възстановявана. Първата реконструкция датира от края на VІ и началото на VІІ в. след нападението на аварите. При превземането на Месемврия (812 г.) войските на хан Крум разрушават крепостната стена, която в края на ІХ в. е възстановена със строеж от тухли. В средата на ХІ в. укрепителните съоръжения отново се ремонтират. При царуването на Иван Александър стените за последен път се реконструират.

След падането на Несебър под турска власт (1453 г.) укрепителната система губи предишното си значение и, оставена без грижи, постепенно се разрушава.