"Bậc vương giả dựng nước đặt Kinh đô, tất lấy thành trì làm chắc". Vì vậy, sau khi thống nhất thiên hạ, năm 1803 vua Gia Long đã sai người đi khảo sát, chọn địa điểm để xây dựng mở rộng Kinh thành làm nơi bốn phương về chầu hội. Kinh thành Huế và trục cảnh quan phong thủy theo sơ đồ của TS Phan Thanh Hải Sách chép, năm Gia Long thứ 2 (1803), vua sai giám thành là Nguyễn Văn Yến ra bốn mặt ngoài đô thành cũ Phú Xuân đo cắm để mở rộng thêm. Vua đích thân định cách thức xây thành. Việc mở rộng Kinh thành có ảnh hưởng đến đất ở và đất ruộng của nhân dân nên nhà vua đã thực hiện chính sách đền bù nhà cửa, ruộng vườn chu đáo, giữ yên lòng dân để bắt tay xây dựng Kinh thành. Tháng 4 năm Ất Sửu (1805), sau khi sắc cho Bộ Lễ chọn ngày tốt làm lễ tế trời đất và nhận thấy mọi sự chuẩn bị đã xong, vua Gia Long đã cho khởi công xây đắp Kinh thành. Hơn 3 vạn lính và dân phu chủ yếu đến từ các tỉnh miền Trung từ Quảng Bình đến Quy Nhơn đã được huy động đến Huế làm việc. Mặt trước Kinh thành Huế nhìn từ trên cao V.T Tác giả Cao Thị Thơm Quang, trong bài khảo cứu , cho biết được xây dựng với quy mô như sau: "Ngày Quý Mùi, xây đắp Kinh thành. Suốt bốn mặt thành dài 2.487 trượng 4 thước 7 tấc, suốt bốn mặt hào dài 2.503 trượng 4 thước 7 tấc; có 10 cửa, mặt trước là cửa Thể Nguyên, cửa Quảng Ðức, cửa Chính Nam, cửa Ðông Nam, bên tả là cửa Chính Ðông, cửa Ðông Bắc, bên hữu là cửa Chính Tây, cửa Tây Nam, phía sau là cửa Chính Bắc, cửa Tây Bắc; ở góc đông bắc đắp đài Thái Bình, thành (của đài) mở một cửa gọi là cửa Thái Bình, cửa đài gọi là cửa Trường Ðịnh; thân thành đài dài suốt 246 trượng 7 thước 4 tấc. Kỳ đài cao 4 trượng 4 thước. Cửa Thể Nguyên sau đổi làm cửa Thể Nhân, cửa Thái Bình sau đổi làm cửa Trấn Bình". Mới đầu thành được đắp bằng đất, bằng gỗ ván bọc mặt ngoài nên từ tháng 4 đến tháng 8, đã hoàn tất. Ðến năm 1818, nhà vua mới bắt đầu cho xây gạch: "Xây gạch Kinh thành… Làm 24 đài ở trên thành, phía trước là các đài Nam Minh, Nam Hưng, Nam Thắng, Nam Chính, Nam Xương và Nam Hanh; ở bên tả là các đài Ðông Thái, Ðông Trương, Ðông Hoa (nay là Ðông Gia), Ðông Phụ, Ðông Vĩnh, Ðông Bình; phía sau là các đài Bắc Cung (nay là Bắc Ðịnh), Bắc Hòa, Bắc Thanh, Bắc Trung, Bắc Thuận, Bắc Ðiện; bên hữu là các đài Tây Thành, Tây Tuy, Tây Tĩnh, Tây Dực, Tây An và Tây Trinh". Nhận thấy công việc xây dựng Kinh thành hết sức vất vả và nặng nhọc nên ngay từ những ngày đầu mới bắt tay vào làm, đã trả công cho binh dân rất rộng rãi. Ngoài ra, nhà vua còn hạ lệnh quy định giờ làm việc để tiện cho binh dân. Vua Gia Long thực hiện công việc xây dựng Kinh thành dang dở thì lâm bệnh nặng mà mất (năm 1820), lên nối ngôi tiếp tục sứ mệnh mà vua cha để lại. Ông cho tiến hành xây dựng và hoàn chỉnh thêm các hạng mục lớn nhỏ trong ngoài Kinh thành. Năm 1831, cho tu sửa lại kỳ đài. Trên đài đường rãnh nước, bốn bên xung quanh chỗ nào thấm nước nứt vỡ thì tu bổ lại, hai bên bậc cửa xây thêm lan can, mặt nền tầng trên thì lát gạch vuông. Rồi sau, xây gạch tầng thành thứ ba phía trong và mặt trước. Ðồng thời, vua Minh Mạng cũng cho xây bó phía mặt trong bên hữu, phía sau Kinh thành. Ðến năm 1832, công việc xây đắp Kinh thành đã xong. Sách biên đệ nhị kỷ, quyển 80 có chép về việc này: "Vua bảo Nội các rằng: Kinh sư là nơi khởi đầu giáo hóa mà Kinh thành lại càng quan trọng. Hoàng khảo Thế tổ Cao hoàng đế ta, sau khi bình định được cả nước, sửa sang gây dựng, quy mô rộng mở, ta kính nối nghiệp trước để chí noi theo. Ta nghĩ đi nghĩ lại mãi: có khó nhọc một lần mới được nhàn rỗi lâu, bèn để ý xếp đặt mưu tính lần lượt, đem hết thảy công trình xây dựng Kinh thành, đều sửa sang xây đắp lại cho thêm mới. Từ tiền công đến vật liệu trước sau đã chi đến hơn trăm nghìn vạn. Số tiền tiêu ấy thực không hạn lượng được. Nay toàn cục đã xong, công việc đã hoàn thành cả, thành trì bền vững, truyền lại hàng ức muôn năm, lòng trẫm thực rất vui mừng". Như vậy, công cuộc xây dựng Kinh thành được bắt đầu từ mùa hè năm 1805 và hoàn thành cơ bản vào năm 1832; trải dài suốt gần 30 năm, có năm làm, có năm nghỉ, có năm tu bổ vì bị lũ lụt phá hỏng. Cuối cùng thì bên trong và bên ngoài Kinh thành là hàng trăm công trình kiến trúc lớn. Sau hàng trăm năm, khu Kinh thành hiện nay hầu như vẫn còn nguyên vẹn. Kinh thành được xây dựng theo kiểu Vauban, có hình gần như vuông, diện tích 520 ha, chu vi trên 10.500 m. Hệ thống thành quách (gồm Kinh thành (thành ngoài), Hoàng thành và Tử cấm thành (thành trong) đều nằm trên một trục, quay mặt về hướng nam - đông nam, được xây dựa vào địa thế của núi Ngự, sông Hương. Trục chính của hệ thống này chạy qua giữa đỉnh núi Ngự Bình. ( )
Công cuộc xây dựng Kinh thành được bắt đầu từ mùa hè năm 1805 và hoàn thành cơ bản vào năm 1832; trải dài suốt gần 30 năm, qua 2 triều vua Gia Long và Minh Mạng.