En pierre et en brique, elle forme un triangle dont les pointes sont figurées par le donjon, et dans la ville basse, la tour Alincola (Saint Nicolas) et la Tournache. Quatres portes étaient aménagées dans l'enceinte urbaine : la porte de Lyon, à l'est ; la porte de Saint-Bernard, à l'ouest ; la porte de la Saône, face à l'actuelle passerelle ; et la porte de Villars au nord-est, seule porte ayant subsité de nos jours.

La ville-vieille de Trévoux s’est développée parallèlement à la Saône, centrée au Moyen Age autour de la maison des sires de Villars, puis s’est déplacée au 17e siècle vers la porte de Lyon à l’est, tout en semant des bâtiments officiels le long de la rue du gouvernement. La morphologie de la ville se caractérise alors par ses rues étroites, son parcellaire en lanière avec des maisons traversantes à élévations de différents niveaux sur chaque rue. Les escaliers à vis et leurs tourelles qui surplombent les toits. 

Les enceintes vont persister pendant toute l’époque moderne, faisant l’objet régulier de réparations, les dernières importantes datant de 1667. L'extrémité orientale de la muraille sud est remplacée au 17e siècle par une escarpe talutée en pierre, avec redents à échaugettes. Mais la ville à l’intérieur des murs n’est plus en mesure d’accueillir de nouvelles constructions. Le tracé des enceintes est aujourd’hui facile à retrouver dans sa partie haute en carrons comprenant peu d’habitations mais beaucoup plus difficile à retracer dans sa partie basse en pierres imbriquée dans les constructions qui s’y sont adossées.

Le château est édifié vers 1300 par les sires de Thoire et Villars sur la bordure du plateau de Dombes. Il s’agit de surveiller le port et de prélever le péage, taxe prélevée au profit du seigneur sur toute marchandise ou personne passant sur la Saône.

La vocation militaire du château est affirmée par le donjon monumental destiné à impressionner l’ennemi. Sa construction en pierre de taille, ses murs hauts et très épais, ses chemins de ronde et une seule porte d’accès à l’étage le rendent difficile d’accès. Ses dimensions en font un des plus importants donjon de la région. Dès le milieu du 14e siècle, le système défensif est renforcé par deux nouvelles tours.

La tour maitresse octogonale, qui mesure aujourd’hui 16 mètres, a été amputée de deux étages à la Révolution. L’unique accès au donjon est une porte à l’étage, qui à l’origine était une fenêtre. La bichromie est rendue par l'utilisation de pierres jaunes de Couzon-au-Mont d’Or et de pierres blanches de Lucenay. Haute à l’origine de 28 mètres, elle était le symbole de la puissance des seigneurs de Trévoux.

Le château de Trévoux est le lieu du pouvoir de la châtellenie, centre administratif et relais de l’autorité seigneuriale. Par sa tour forteresse, il affirme son existence en marge de l’Empire, face au royaume de France qui s'étend juste de l’autre côté de la Saône. Il démontre la puissance des seigneurs ayant participé aux croisades.

Demeure du seigneur de Trévoux, il servait aussi de lieu de vie aux officiers chargés d’administrer le territoire. Quelques traces subsistent de sa fonction résidentielle. Un escalier intérieur desservait les étages, dotés d’une cheminée et de fenêtres. Un corps de logis spacieux et une petite tour servant de latrines attestent d’un certain confort.

Aujourd’hui, le château appartient au Département de l’Ain. Il a été classé Monument Historique  en 1913 et est régulièrement ouvert à la visite.