La planta del edificio se inscribe en un cuadrilátero. En cada uno de los ángulos de éste se sitúa un baluarte. Éstos se disponen de manera irregular: los que defienden un posible ataque por el sector norte son de planta clásica romboidal y están macizados, ya que era éste el sector que corría más peligro de ser bombardeado por tierra, y hacía frente al fuerte de La Atalaya. Por el contrario, los dos baluartes que forman el frente sur, se disponen en un ángulo algo más abierto, con una planta algo más inhabitual, de caras y flancos más asimétricos, y su interior alberga bóvedas a prueba de bomba que servían, entre otras cosas, como alojamiento para la guarnición. Esto resultaba ser así porque era menos posible que recibiese daños por un bombardeo procedente de algún navío, dada su alta cota sobre el nivel del mar.
En el interior de ese rectángulo que forma su planta se dispone un gran patio en torno al cual se distribuyen los diferentes accesos a los interiores y terrazas. Al exterior, el fuerte presenta un foso seco con su correspondiente contraescarpa y camino cubierto. En el lado noreste se sitúa la puerta principal del castillo; se trata de un acceso monumental que presenta una serie de singularidades propias de una fortificación: una vez dentro del foso, subiremos a un revellín (también llamado plaza de armas, o lo que es lo mismo, un baluarte exento del fuerte) a través de una de las dos rampas adosadas a la contraescarpa. Allí, un puente levadizo que salva el foso (hoy sustituido por uno de hormigón fijo) nos da paso al castillo a través de una espléndida puerta toscana de estilo neoclásico. Los muros, sólidos, taluzados y con baja cota para soportar bien el fuego de artillería, son de mampostería ripiada; solo los merlones, situados sobre el cordón que circula por todo lo alto del perímetro de la fortificación, presentan algunas partes de sus estructuras construidas con ladrillo. Sobre la terraza del frente sur, mirando al mar, se sitúa un pequeño edificio de dos alturas (tiene una más, de menores dimensiones, pero parece moderna), aparecido ya en los planos del siglo XVIII, que fue semáforo marítimo. Desde el frente suroeste parte la gran muralla urbana que, a través de casi cinco kilómetros, fortificó el Arsenal y la población. Su concepción fue, por tanto, la de ciudadela de Cartagena.