ร่อยรอยอารยธรรมโบราณที่ชี้ชัดได้ว่าพิษณุโลกเคยเป็นหัวเมืองที่มีความสำคัญยิ่งในอดีตกาลมาก่อนนั้น คือ กำแพงเมืองคูเมืองแห่งนี้ ที่ผ่านการซ่อมแซมมาหลายยุคหลายสมัยด้วยวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน เดิมทีกำแพงเมืองเป็นกำแพงดินเช่นเดียวกับสุโขทัย และคาดว่าสร้างขึ้นในรัชกาลสมเด็จพระบรมไตรโลกนารถเพื่อเตรียมรับศึกพระเจ้าติโลกราชแห่งอาณาจักรล้านนา หลังจากนั้นสมเด็จพระมหาจักรพรรดิโปรดฯ ให้ซ่อมแซมกำแพงเมืองอีกครั้งเพื่อเตรียมรับศึกพม่า ครั้นมาถึงรัชสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราช พระองค์โปรดฯ ให้ช่างฝรั่งเศสสร้างกำแพงใหม่ โดยก่ออิฐให้แข็งแรงยิ่งขึ้น จนกระทั่งในสมัยพระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลก โปรดฯ ให้รื้อกำแพงเมืองและป้อมต่าง ๆ เสีย เพื่อไม่ให้พม่าซึ่งรุกรานไทยยึดเป็นที่มั่นได้ ปัจจุบันกำแพงเมืองที่เห็นได้ชัดเจนนั้นอยู่แถวบริเวณวัดโพธิญาณ วัดน้อย และสถานีตำรวจภูธรจังหวัดพิษณุโลก ส่วนคูเมืองพบเห็นได้ตามแนวที่ขนานกับถนนพระร่วง (หลังสถาบันราชภัฏพิบูลสงคราม)