Городище Эски-кермен расположено на хорошо укрепленном самой природой месте: плато обрывается в долины отвесными стенами значительной высоты и неприступно в большей своей части. Кое-где сохранились фрагменты проходивших вдоль обрыва стен: их можно осмотреть на юго-восточном участке плато. Следует отметить, что обязательной деталью устройства раннесредневековых крепостных сооружений Крыма являются специально вырубленные в скале «постели», служившие основанием для облицовочных квадров стены н придававшие ей большую устойчивость. Их обязательно две, параллельные одна другой. По этой линии укладывались массивные тесаные блоки известняка, составлявшие саму облицовку стены. Пространство между ними заполнялось забутовкой из мелких камней, залитых раствором известки. Там, где стена не уцелела, ее линия прослеживается по выемкам «постелей». Реконструкцию системы оборонительных сооружений Эски-кермена осуществил крымский археолог Е. В. Веймарн, доказавший, что стена окружала город по всему краю плато, отсекая с севера примерно третью часть его, оставшуюся незастроенной: возможно, она предназначалась для скота, а также для рынка. Аналогичная особенность имеется и на Чуфут-кале. На сохранившихся участках стены прослеживаются пять рядов кладки, заканчивающихся шестым рядом больших плит, положенных плашмя и перекрывающих всю толщу стены с забутовкой, слегка нависая по краям.[135] Эски-керменские стены, по мнению Д. Л. Талиса, — уникальное явление в Крыму, ибо только здесь сохранились остатки раннесредневековых стен вместе с их завершением в виде горизонтальных перекрывающих плит.[136] Высота стены в 2,80 м при наличии отвесного обрыва под ней была вполне достаточной.

Скалистые мысы, выступавшие за линию обороны восточного обрыва как бы в виде природных «башен», также были использованы: вырубленные в них пещеры с бойницами явно служили казематами для воинов и позволяли держать под перекрестным обстрелом "мертвую зону", прилегающую к обрывам. «Башни» расположены на довольно близком друг от друга расстоянии. С площадок плато к ним ведут вырубные лестницы, помещения в них сообщаются переходами, в сторону обрыва пробиты ряды бойниц разной величины: более крупные — для скатывания камней, меньшие — для стрельбы из лука. На верхних площадках скалы помещались более крупные орудия — камнемёты. Снаряды для них в виде круглых ядер найдены при раскопках. Веймарн насчитывает шесть таких мысов-башен с пещерными комплексами — казематами.

Поднимающееся к северу плато Эски-кермена заканчивается мысом, отделенным от массива городища седловиной. Здесь сохранились остатки еще одного участка обороны — так называемого "дозорного комплекса". Сильно стершиеся ступени вели на седловину, к северному выходу в крепость. Спустившись по лестнице, надо идти вдоль скалы по западной стороне расщелины и, отыскав в зарослях вход, ведущий на отдельно стоящую скалу, подняться по вырубной лестнице. Лестница начинается от дверного проема, вырубленного в подножии скалы на уровне седловины; дверь открывалась внутрь и запиралась брусом. По ходу лестницы справа вырублены две пещеры с амбразурой и бойницами. На стенах встречаются высеченные кресты с расширяющимися концами, характерные для «доиконоборческой» эпохи. Через люк лестница приводит на верх скалы, на площадку, где видны следы небольших круглых отверстий, в которых крепились деревянные стояки парапета. На северном конце площадки над обрывом имеется прямоугольная вырубка, а симметрично ей, на противоположном обрыве — еще такая же. Видимо, здесь в древности перекидывались деревянные мостки для сообщения с недоступной ныне северной оконечностью горы. С площадки "дозорного комплекса" открывается величественный вид на весь район предгорья, подступы к городищу и северной части огибающих его балок.

Одно из достопримечательных, можно сказать, уникальных сооружений Эски-кермена — его осадный колодец, расположенный у самого края восточного обрыва, в средней его части. Он был создан одновременно с городом как важнейшая часть его системы обороны. В толще скалы вырублена круто уходящая вниз лестница в шесть маршей, каждый из которых заканчивается площадкой, освещенной окном. 95 ступеней лестницы переходят в галерею длиной около 10 м, где с потолка просачивалась вода. В раннее время существования города ее накапливалось до 70 кубометров, так что водой были залиты шестой и пятый марши лестницы. По-видимому, враг, разрушивший городские стены, сделал пролом во внешней стене, в результате чего колодец утратил свое значение. Уровень воды понизился, а последние ступени стесаны. Из колодца на поверхность вода извлекалась исключительно вручную. В мирное время город пользовался водопроводом из керамических труб, подводивших воду за четыре километра от родников соседней возвышенности.

Само городище усеяно множеством поросших лесом и кустарником холмиков, прикрывающих остатки разнородных построек, среди которых без труда прослеживается направление главной и боковых улиц. Культурный слой здесь весьма значителен, местами достигая 4 м мощности. Раскопками вскрыты остатки нескольких жилых домов у восточного обрыва: мощный слон золы говорил о гибели их от пожара. Дома были, по-видимому, двухэтажные, как и в Чуфут-кале, с нижним каменным и верхним деревянным этажом, перекрытые черепицей.

На самой вершине плато, куда через заросли ведет основная тропа, находилась площадь с базиликой, построенной из тесаного камня одновременно с городом, предположительно в VI в. "О былом значении и славе Эски-кермена, — писал М. Броневский, — свидетельствует храм, украшенный мраморными и серпентинными колоннами, хотя он повержен на землю и разрушен".[137] Базилика была раскопана в 1930 г. Археологи установили, что это было прямоугольное в плане здание с тремя далеко выступающими на восток апсидами, снаружи пятигранными, внутри — полукруглыми: они были отгорожены от остального пространства церкви каменным иконостасом, от которого сохранились обломки, покрытые узорной резьбой в виде плетенки. Колоннами здание разделялось на три нефа, потолок был деревянный, кровля черепичная. Исследователи отмечали отсутствие сходства базилики с херсонесскими храмами: ряд конструктивных приемов, напротив, наводил на мысль о родстве ее с малоазийским зодчеством, чье культурное влияние ощущалось в Крыму во все исторические эпохи.

Отмечая большое сходство квадровой кладки боевых стен, аналогию в устройстве пещерных казематов, хорошо увязанных с наземными укреплениями, крымский археолог Д. Л. Талис сделал вывод об одновременном сооружении их византийскими строителями или при их участии, "а использовались они местными правителями в интересах, совпадающих в период строительства с целями византийской администрации".[138] Оценивая оборонительные сооружения Эски-кермена, автор первых раскопок Н. И. Репников отметил: "Оборона города на всем протяжении задумана с тонким пониманием местных условий, что позволяет видеть в авторе проекта опытного военного инженера".[139]

Высказывалось предположение, что Эски-кермен как крепость был построен сразу, "в порядке государственного мероприятия", пришлой строительной артелью".[140]