오녀산(五女山)의 북쪽과 동쪽에 연결되어 있는 높고 낮은 여러 산봉우리 가운데서 가장 높고 험한 800m의 산마루를 중심으로 그 둘레에 축조되어 있다.

오녀산의 서남쪽에는 넓은 환인분지가 있고 동남쪽에는 압록강의 지류인 혼강(渾江)이 있다. 오녀산의 서쪽 산기슭에서 시작되는 좁고 험한 골짜기로는 통화(通化)로 통하는 길이 지나간다.

동남쪽에서 흐르는 혼강은 여러 산굽이를 지나 오녀산 기슭에 이르러 깎아내린 듯한 가파로운 벼랑 사이를 통하여 환인분지로 흘러든다. 환인에서 고구려의 옛 수도인 집안(集安)으로 가는 데에는 통화로 통하는 육로와 혼강을 거슬러 올라가는 수로가 있었으며, 집안에서 심양 쪽으로 가기 위해서는 반드시 환런현[桓仁縣]을 거쳐야 했다. 이와 같이 오녀산성은 고구려의 수도인 집안과 서쪽지방을 연결하는 교통의 요충지대에 위치하였다.

성돌은 30×20×35㎝의 크기이며, 성벽의 축조공법에는 굽도리축조공법이 남벽에서 확인되었다. 굽도리축조공법이란 굽도리를 조성할 때 계단식으로 경사지게 쌓는 방법으로 산성에서는 협곡에 쌓을 때와 높은 성벽을 축조할 때 많이 적용되었다. 이 축조방법의 기본은 높은 성벽을 보다 견고하게 하기 위하여 성벽의 굽도리부분을 밑에서부터 위로 올라가면서 성돌을 약간씩 뒤로 물려 쌓는 것이다.

산성의 동문터에서는 성벽이 서로 엇갈리면서 한쪽 벽이 다른쪽 벽을 모나게 감싸서 옹성(甕城)을 이루었다. 이런 형식은 오녀산성과 국내성에서만 보이므로 고구려 옹성으로서는 가장 이른 시기의 것인 듯하다.

성안에는 천지라고 하는 못이 있다. 이 못의 물은 마른 일이 없다고 한다. 못은 동서로 긴 장방형인데 그 크기는 동서의 길이 12m 남북의 너비 5m, 깊이는 2m 정도 된다. 못은 암반을 깎아낸 다음 변두리에 큼직큼직한 막돌을 쌓았으며 지면에 나타나는 부분에만은 네모나게 잘 다듬은 돌을 규모 있게 쌓았다.

못의 북쪽 벽 가운데에는 물이 빠져나가는 구멍을 만들었다. 못의 서남 모서리밖에는 이 못과 연결된 조그마한 샘을 팠다. 이 샘 역시 못에 쓴 돌과 같은 잘 다듬은 돌로 쌓았다.

광개토대왕릉비에는 추모왕(鄒牟王)이 비류곡(沸流谷)의 홀본(忽本) 서쪽의 산 위에 성을 쌓고 도읍을 정하였다고 하였는데, 이곳 오녀산성이 이 때에 쌓았다는 성으로 비정하는 견해도 있으나 고고학적인 뒷받침이 되어 있지 않다. 특징은 전형적인 고구려의 축성법인 굽도리식축조공법이 이용되었다는 점과 고식(古式)의 옹성 형태를 가지고 있다는 점을 들 수 있다.