Si tratta di una  fortezza triangolare in cui ad ogni vertice corrisponde una torre rotonda e troncoconica, intercomunicante con le altre attraverso camminamenti sotterranei.
La torre più alta ha la base di 80 metri di circonferenza e un'altezza di 20 metri e domina tutto il borgo; è costituita da 5 piani in cui si trovano tutti gli elementi abitativi necessari alla difesa e alla residenza della guarnigione.
La Rocca di Gualdo Cattaneo fu l'ultima di un sistema difensivo fortificato "di frontiera", perché perennemente conteso fra Spoleto, Todi, Foligno e Perugia, tutt'ora costellato di torri, manieri, rocche e castelli (come San Terenziano, Grutti, Torri, Barattano o Cisterna).

Nel 1624 vi soggiornò Galileo Galilei, che lasciò scritto "È un piccolo compendio dell'universo".