Η μορφή των οχυρώσεων του Κάστρου της Χίου, που αντικρύζει ο επισκέπτης σήμερα είναι προϊόν συνεχών μετασκευών, προσθηκών και ενισχύσεων κατά τη διάρκεια της μακραίωνης ύπαρξης του μνημείου. Η πορεία των τειχών είναι τεθλασμένη και σχηματίζει ένα ακανόνιστο πεντάγωνο. Ανά διαστήματα υπάρχουν ισχυροί προμαχώνες (οκτώ από αυτούς διατηρούνται σήμερα). Στους πύργους τριών από αυτούς υπάρχουν εντοιχισμένες πλάκες με το έμβλημα των Ιουστινιάνι (κάστρο με τρεις πύργους και εστεμμένος αετός), οι οποίες μνημονεύουν το έτος κατασκευής ή επισκευής του οχυρωματικού έργου στους χρόνους της Γενουατοκρατίας στη Χίο (1346-1566). Ενδεικτικός των επεμβάσεων που μετέβαλαν τη μορφή των πύργων και των τειχών μέσα στους αιώνες είναι ο βόρειος προμαχώνας που υψώνεται στο σημείο συμβολής των χερσαίων τειχών με το επιθαλάσσιο, ο γνωστός ως προμαχώνας στου Antonio Zeno ή του Ζήνωνος. Ο πυρήνας του προμαχώνα είναι πύργος που κατασκευάσθηκε στην ύστερη αρχαιότητα. Το 1426, επί Γενουατοκρατίας, ο πύργος υπερυψώθηκε και ενισχύθηκε, ενώ το 1694, στο διάστημα της σύντομης Ενετοκρατίας, ο ναύαρχος Antonio Zeno ήταν υπεύθυνος για την εκτέλεση μιας σειράς νέων συμπληρωματικών οχυρωματικών έργων στον προμαχώνα, που από τότε φέρει το όνομά του. Παρόμοιες επεμβάσεις παρατηρούνται σε όλους τους προμαχώνες του Κάστρου.

Η είσοδος στο Κάστρο γίνεται από τη γέφυρα που διασχίζει την άνυδρη σήμερα τάφρο, που περιέβαλλε άλλοτε όλη την περίμετρο των χερσαίων τειχών. Η κύρια πύλη, η Porta Maggiore, διατηρεί τη μνημειακή μορφή που της έδωσαν οι Ενετοί το 1694. Το πρώτο κτήριο που συναντάται μετά την Πύλη είναι γνωστό ως "Παλάτι Ιουστινιάνι", χρονολογείται στους χρόνους της Γενουατοκρατίας, και σήμερα, αναστηλωμένο, λειτουργεί ως χώρος περιοδικών εκθέσεων αρχαιοτήτων. Σε επαφή με το "Παλάτι" σώζεται το κτήριο της "Σκοτεινής Φυλακής", κτίσμα επίσης των χρόνων της Γενουατοκρατίας, που συνδέθηκε με ένα τραγικό γεγονός της νεώτερης ιστορίας της Χίου: εδώ φυλακίσθηκαν το 1822 εβδομήντα πρόκριτοι της Χίου πριν οδηγηθούν στην αγχόνη. Στην πλατεία του Κάστρου έχει ιδρυθεί νεκροταφείο επιφανών Οθωμανών, όπου μεταξύ των άλλων διακρίνεται το ταφικό μνημείο του καπουδάν πασά Καρά αλή, του οποίου τη ναυαρχίδα ανατίναξε ο Κανάρης το 1822, κατά τη διάρκεια της Ελληνικής Επανάστασης. Επί της οδού Αγ. Γεωργίου, του κυρίου δηλαδή οδικού άξονα του οικισμού, που ξεκινά από την πλατεία και με ελιγμούς καταλήγει στο επιθαλάσσιο τείχος, διατηρούνται δύο μουσουλμανικά τεμένη: πρώτο συναντάται το Χαμηδιέ τζαμί, κτίσμα του 1892, και στη συνέχεια το Εσκί τζαμί, που έχει μετατραπεί σε εκκλησία, τον ναό του Αγ. Γεωργίου. Στη Β.Δ. γωνία του επιθαλασσίου τείχους σώζεται ερειπωμένο συγκρότημα λουτρών (χαμάμ). Στο μέσον περίπου της ευθύγραμμης πορείας του επιθαλασσίου και σε μικρή απόσταση από αυτό σώζεται η μεσαιωνική δεξαμενή του Κάστρου, η λεγόμενη "Κρύα Βρύση". Ο ψηλός πεταλόσχημος πύργος που υψώνεται στη συνέχεια της διαδρομής ελεύθερος από όλες τις πλευρές, ο Κουλάς, κτίσθηκε επί της Γενουατοκρατίας και είχε άγνωστη προς το παρόν επακριβώς χρήση. Εντυπωσιακή είναι η χρήση του αρχαιότερου οικοδομικού υλικού, που έχει εντοιχισθεί στην τοιχοποιία του. Το "Καρνάγιο", επίμηκες κτήριο κοντά στον Κουλά, είναι κτήριο επίσης των χρόνων της Γενουατοκρατίας, με άγνωστη αρχικά χρήση. Ο ναΐσκος του Αγ. Νικολάου κατασκευάσθηκε στους νεώτερους χρόνους σε επαφή με το επιλιμένιο τείχος στη θέση αρχαιότερου ναού, όπως αποκαλύφθηκε σε ανασκαφική έρευνα.