Ocupa un pequeño cerro amesetado de planta ovoide junto a la margen izquierda del río Guadiana. Ligeramente elevado sobre la llanura circundante, dicho cerro proporciona un amplio dominio visual sobre el entorno, pero carece, en general, de buenas cualidades defensivas. La única defensa natural importante la proporciona el cauce del río Guadiana, que protege el frente septentrional de la ciudad; en el resto de la plaza, la accesibilidad del cerro fue paliada mediante la construcción de sólidas murallas y un foso húmedo artificial.

El cinturón amurallado de Calatrava la Vieja adapta su trazado al contorno del cerro, de lo que resulta un recinto de planta elíptica cuyo eje mayor (este-oeste) está próximo a los 400 mts. de longitud, y cuyo eje menor (norte-sur) ronda los 190 mts. La muralla, en su mayor parte de época omeya, está jalonada por casi medio centenar de torres de flanqueo, de entre las que destacan dos albarranas -en el frente sur del alcázar-, otras dos de planta pentagonal en proa -en su espolón oriental-, y la que alberga la puerta en recodo de acceso al alcázar -junto al Guadiana. Con excepción de las dos torres pentagonales, todas las demás son de planta cuadrangular, aunque de módulos muy diferentes: en el frente sur de la ciudad -en el que se abre la puerta en recodo de acceso a la medina-, las torres son de mayor tamaño, menos abundantes, algunas de ellas huecas, y aparecen más espaciadas, mientras que las del espolón oeste -mejor defendido por el escarpe del terreno- son siempre macizas, más pequeñas, y se encuentran más próximas entre sí.

El recinto descrito se divide en dos zonas claramente diferenciadas, separadas entre sí por una muralla de considerables proporciones: el alcázar, en el extremo oriental, y la medina, que ocupa la mayor parte del cerro.