Caesarodunum, créée entre 10 avant et 30 de notre ère sur la rive gauche de la Loire est une ville ouverte, c’est-à-dire sans système défensif. Elle est dominée, vers l’est, par la structure massive de son amphithéâtre.

À la fin du III^e siècle, l’ajout d’un puissant mur intérieur et la fermeture de certains accès transforment cet édifice en forteresse. Un vaste fossé de la seconde moitié du III^e siècle, découvert au sud-est de l’amphithéâtre, en assure très vraisemblablement le rôle de défense avancée, du moins dans un premier temps. Ce fossé, en eau, à fond plat et large de 13,50 m, est complété en avant par une levée de terre, un vallum.

Au IV^e siècle, peut-être au moment où la ville devient la capitale de la III^e Lyonnaise, un castrum est construit, s’appuyant au sud contre l’amphithéâtre-forteresse. Ainsi apparaît une ville close (castrum) de 9 hectares de superficie, formée dans la partie nord-est de l’ancienne ville du Haut-Empire. L’édification de l’enceinte maçonnée engendre le démontage systématique des monuments publics de la ville ouverte. Les vestiges retrouvés montrent que cette opération ne répond pas à une construction hâtive et désordonnée, mais à un plan d’urbanisme concerté. Le tracé rectangulaire du rempart intègre l’amphithéâtre-forteresse ; des tours circulaires y sont régulièrement réparties et les rares portes sont flanquées de tours polygonales. La découverte d’un pont traversant la Loire, datable du Bas-Empire, dans l’axe de la porte s’ouvrant au milieu du front nord, indique que la ville close contrôlait l’accès à la rive droite du fleuve.

Par la suite, un complexe épiscopal est établi dans la partie sud-ouest de l’espace enclos, bientôt désigné dans les sources écrites comme « la Cité ». Plus à l’ouest, clairement dissocié de la Cité, un nouveau pôle d’urbanisation non protégé par un système défensif se développe progressivement autour de la basilique Saint-Martin.

Au moment des raids normands (853-903 à Tours) les défenses de la Cité sont réorganisées. L’enceinte est réparée (866-877) et un fossé, également en eau, mais à profil en V de 5 m largeur, est creusé en avant du mur d’enceinte.

Peu après, à l’ouest, une nouvelle fortification de 4 hectares de superficie, le castrum sancti Martini, est construite autour de la basilique Saint-Martin. Commencée en 903, son enceinte est, selon les sources écrites, achevée en 918. De forme carrée, renforcée à distances régulières par des tours circulaires, elle englobe une partie du monastère et laisse à l’extérieur certains édifices comme Saint-Venant et Saint-Clément. Elle intègre également, dans sa moitié nord, un espace spécialement destiné aux laïcs. L’enceinte maçonnée partiellement conservée de nos jours semble avoir remplacé un premier rempart de bois et de terre, doublé d’un fossé en V dont le tracé a été retrouvé à l’angle nord-est de l’enceinte. Large de 5 m et profond de 3 m, celui-ci fut comblé vers la fin du X^e ou au début du XI^e siècle. Son abandon pourrait en effet s’expliquer par la mise en place de la fortification maçonnée.

À une date inconnue du XI^e ou du XII^e siècle, le bourg des Arcis, immédiatement à l’ouest de la Cité, est inclus dans une nouvelle enceinte. Cette extension assure directement la protection du débouché du pont, construit par le comte Eudes II de Blois en 1034-1037, et permet le contrôle du seul franchissement permanent du fleuve au droit de la ville.

Le 30 mars 1356, le roi de France Jean le Bon approuve la construction de l’enceinte que les habitants de Tours ont déjà entreprise «dans le besoin urgent de parer aux dangers de la guerre ». Cette nouvelle enceinte, dénommée « la clouaison », réunit toute la ville en une seule entité. Elle reprend pour partie le tracé des enceintes de la Cité et du castrum sancti Martini. La superficie enclose est de 57 hectares. La construction de la courtine débute par le sud et l’ouest de la ville, secteurs jugés les plus vulnérables ; elle y est achevée en 1359. En front de Loire, les travaux progressent en plusieurs tronçons simultanément, mais doivent être interrompus en 1360, faute de financement. Ils reprennent en 1363 et se prolongent jusqu’en 1368. Les vestiges permettent de restituer une hauteur de courtine entièrement maçonnée variant entre 6 et 8 m selon les secteurs, pour une largeur à la base oscillant entre 2,15 m et 2,30 m.

L’enceinte, longue de plus de 4 km, comporte une dizaine de portes principales. Le nombre des portes annexes, ainsi que leur ouverture ou leur fermeture, ne cessaient de varier au gré des besoins de défense de la ville. De même, les tours sont peu nombreuses. Plusieurs éléments montrent que la muraille a été réalisée parfois à la hâte (utilisation de matériaux de récupération, et de terre comme liant de fondation). Hors les murs, deux fossés parallèles constituent la défense. Au pied de la courtine, le « grand fossé » : à fond plat, large de 11,50 m à 15 m pour une profondeur de 5 m environ, il est alimenté par les eaux de la Loire. Le grand fossé est doublé en avant par un fossé sec présentant un profil en V, le « rerefossé » : observées à l’ouest et à l’est de la ville, les dimensions de ce dernier varient de 5 à 10 m environ pour une profondeur de 1,50 à 3 m ; en front de Loire, il est absent ou tout au plus présent de façon ponctuelle.

D’un entretien difficile, le « rerefossé » tombe rapidement en désuétude et le grand fossé est rapidement élargi afin d’éviter qu’un écroulement des murailles, à la suite d’un tir d’artillerie, ne permette un franchissement aisé. Les fouilles attestent que le grand fossé a fait l’objet de curages réguliers jusqu’à son abandon, au XVII^e siècle au sud et, dès le début du XVI^e siècle, à l’est et au nord.

En 1589 M. de Saint-Marc, architecte-ingénieur, est chargé de proposer un nouveau plan de fortification du faubourg oriental de la ville. La première pierre est posée le 8 octobre 1591. Mais le coût des travaux de fortification se révélant trop élevé pour la ville, un nouveau tracé plus restreint est décidé le 4 novembre 1599. Les premiers travaux concernent essentiellement le front de Loire. En 1616, l’essentiel de l’enceinte du côté front de Loire est terminé. Quant à la partie ouest, elle est réalisée entre 1618 et 1622. En 1635 les travaux reprennent sur le front sud. Finalement la superficie enclose atteindra les 120 hectares (168 hectares si l’on inclut la surface des bastions).