O castelo apresenta elementos de arquitectura militar nos estilos românico, gótico e renascentista. Alguns autores apontam a presença de vestígios indicativos de uma estrutura militar anterior, que poderia remontar à época romana e que teria perdurado até à época islâmica, referindo a presença, no aparelho dos muros, de algumas placas decorativas, de cronologia visigótica ou moçárabe, provavelmente oriundas do sítio de Santa Maria dos Olivais, à margem esquerda do rio Nabão.
É composto por uma dupla cintura de muralhas, que delimitavam o primitivo burgo intramuros e a praça de armas:
- uma num plano superior, de planta poligonal irregular, com algumas faces curvas, nascendo junto à entrada da Casa do Capítulo e terminando na Torre de Dona Catarina. Delimita a Alcáçova e mantém apenas a cisterna e a Torre de Menagem no seu interior, figura defensiva introduzida em Portugal pelos Templários e que tem, aqui, o seu testemunho mais antigo;
- outra num plano inferior, ligando a fachada Leste da Charola à zona Sul da Alcáçova, que correspondia à vila fortificada da Baixa Idade Média. Também apresenta planta poligonal irregular, desenvolvendo-se em cunha no sentido Leste, rematada numa grande torre de planta quadrangular, denominada Torre da Rainha. Esta cintura incorpora um outro elemento defensivo também introduzido pelos Templários no país: o alambor. Este consiste no embasamento dos muros em rampas, destinadas a impedir a aproximação das torres de assalto e a dificultar os trabalhos de sapa e mina, bem como a eliminar ângulos mortos na base das muralhas, tendo sido empregado em Tomar circundando toda a muralha.
Essas muralhas eram reforçadas a espaços regulares por cubelos de plantas semi-circular e quadrangular, na tipologia importada pelos Templários do Oriente, que a ele recorreram na Terra Santa na fortificação de Saphyum, que seguia o desenho do Krak dos Cavaleiros Hospitalários, em Hom.
Ingressando pela Porta de Santiago e ultrapassando-se a Porta do Sol surgem, à direita, a Alcáçova e a Torre de Menagem. Abre-se então o terreiro que vai dar à Charola. Para Sudoeste, outro terreiro, rematado pela Torre de Dona Catarina. A muralha prossegue, amparada em torreões, até à Porta do Sangue e à Torre da Condessa. Para o Norte, observam-se outras torres com plantas em diversos feitios. Ultrapassada a Charola, abre-se a Porta de São Martinho, inflectindo a muralha, sempre amparada por torres e cubelos, de novo em direcção à alcáçova.
Apesar das múltiplas alterações que tiveram lugar no recinto fortificado ao longo dos séculos, a maior parte delas relacionada com as sucessivas campanhas de alargamento do Convento de Cristo no sector Oeste, são ainda numerosos e significativos os elementos românicos do castelo. Entre eles destaca-se a Torre de Menagem, com planta no formato rectangular dividida internamente em três pavimentos. No segundo pavimento encontra-se uma inscrição em latim, repetida na lápide comemorativa do cerco muçulmano de 13 de Julho de 1190 na escadaria que leva ao terreiro da Charola, informando ao visitante:
- Na era de 1198 (1160 da era de Cristo), reinando Afonso, ilustríssimo rei de Portugal, D. Gualdim, mestre dos cavaleiros portugueses do Templo, com os seus freires, começou no primeiro dia de Março a edificar este castelo, chamado de Tomar, que, acabado, o rei ofereceu a Deus e aos cavaleiros do Templo.
Um funicular ligando o a Capela de São Gregório ao castelo foi proposto por um particular em 2010 e rejeitado pela edilidade.
Fonte: Wikipédia