O castelo, na cota de 240 metros acima do nível do mar, apresenta planta poligonal irregular, orgânica (adaptada ao terreno), com as muralhas reforçadas por torreões de planta quadrada e circular.

A evolução do perímetro defensivo de Palmela pode ser compreendida pelo estudo dessas muralhas, dispostas em três níveis de cercas, sem fossos, separadas por sucessivas barreiras:

• a linha interna, remontando aos séculos XII e XIII, compreende à muralha mais antiga, amparada por duas torres cilíndricas e a torre de menagem, na qual se abre uma cisterna. Esta terá sido remodelada no século XIV, tendo a sua estrutura reforçada e a sua altura aumentada, coroada com ameias sigladas. Em seu interior, uma escada de cantaria une os vários pavimentos.
• a linha intermediária, erguida no século XV, é composta de muralhas mais robustas onde se inscrevem a praça de armas, a Igreja de Santa Maria (erguida no século XII e reedificada no Renascimento), o Convento e a Igreja de Santiago de Palmela, obras góticas.
• a linha externa, edificada no século XVII, integrada por então modernos baluartes, revelins e tenalhas, visando resistir aos tiros da artilharia.