กำแพงเมืองคูเมือง  เดิมเป็นกำแพงดินเช่นเดียวกับกำแพงเมืองสุโขทัย คาดว่าสร้างขึ้นในรัชกาลสมเด็จพระบรมไตรโลกนารถ เพื่อเตรียมรับศึก พระเจ้าติโลกราชแห่งอาณาจักรล้านนา สมเด็จพระมหาจักรพรรดิ์ได้โปรดให้ซ่อมแซมกำแพงเมืองอีกครั้ง เพื่อเตรียมรับศึกพม่า ครั้นรัชกาลสมเด็จพระนารายณ์มหาราช ได้โปรดให้ช่างฝรั่งเศสสร้างกำแพงใหม่ โดยก่ออิฐให้แข็งแรงยิ่งขึ้น

ในสมัยพระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลก โปรดให้รื้อกำแพงเมืองและป้อมต่าง ๆ เสีย เพื่อไม่ให้พม่าซึ่งรุกรานไทยยึดเป็นที่มั่น กำแพงเมืองที่เห็นได้ชัดเจนในขณะนี้คือ บริเวณวัดโพธิญาณ วัดน้อย และบริเวณสถานีตำรวจภูธรจังหวัดพิษณุโลก สำหรับคูเมือง พบเห็นได้ตามแนวที่ขนานกับถนนพระร่วง (ด้านหลังมหาวิทยาลัยราชภัฏพิบูลสงคราม)