La muraille construite sur une trentaine d’année fut vraisemblablement achevée au milieu du 4e siècle. Le mur d'enceinte atteignait 1245 m de long, encerclant une superficie 9 hectares. Une série de tours, dont le musée conserve une tour d’angle (à l’origine elle pouvait atteindre les 30 m. avec son couvrement) renforçaient régulièrement le rempart en partie construit avec des matériaux de récupération, provenant d'édifices publics et temples du deuxième siècle (colonnes, entablements, fragments sculptés...).
La partie est de l’enceinte, formée par l’ancien amphithéâtre (1er s.), est visible au niveau des terrasses du jardin du musée. Transformé en forteresse au 3e siècle, l’amphithéâtre est intégré au rempart défensif du Bas-Empire, rempart, dont il constitue l'élément structurant, dans la première moitié du 4e siècle. Son implantation au sommet d'une petite « colline » en marge de la zone urbanisée antique, le met à l'abri des crues, facilite la circulation à ses abords et le signale de loin comme un symbole ostentatoire de la puissance de la ville. Édifice de structure massive et de forme sensiblement elliptique, ses dimensions estimées sont alors de 122 m sur 94 m. Agrandi au IIe siècle (156 × 134 m), il devient l'un des plus vastes de tout l'Empire romain au point d'être parfois qualifié de « monstre architectural », et au XXIe siècle ses dimensions colossales ne sont pas explicables au regard de la taille de Caesarodunum et de la cité des Turons. Cette muraille sera réutilisée, hormis son flanc ouest, dans plusieurs enceintes successives de Tours, l'extension de l'enceinte au 12e s. puis au 14e s. Le rempart gallo-romain est partiellement inscrit au titre des Monuments historiques depuis 1927.
Sous la partie Ouest du rempart se situe le souterrain du musée. Il fut certainement mis en chantier par les chanoines de la cathédrale pour récupérer des matériaux, mais surtout pour stocker de la nourriture. Cave, réserve, le souterrain fut aussi cachot, afin de mettre au frais quelques personnages indélicats. En témoignent de nombreux graffitis et morceaux sculptés (oiseau, écussons, blason de Tours, tête de diable...).
Enfin, ici est encore visible la seule inscription latine de l'accession à l'indépendance de la ville de Tours : "CIVITAS TURONORUM LIBERA", la cité libre des Turons. L'ensemble des fragments de ces inscriptions serait une dédicace de la ville à l'empereur romain Claude et ses fils, Tiberius Claudius Drusus et Britanicus, inscrite sur les murs d'un temple élevé en l'honneur de l'empereur suite à la conquête de la Bretagne, autour de l'an 50.