Море было первым, но не последним, барьером на пути захватчиков. В течение веков в Несебыре было построено много фортификационных систем, которые превратили полуостров в неприступную крепость. После окончания раскопок и последующих за ними консервации и реставрации, обнаруженные части системы обороны стали одним из самых впечатляющих достопримечательностей, которые могут увидеть сегодняшние посетители древнего Несебыра.
Укрепление древнего поселения было начато в VIII веке до н.э. первыми жителями полуострова – фракийцами. Обнаруженная укрепленная стена с воротами относится именно к этому периоду. Она была сделана из высеченного камня с илом. Стена, которую видно сегодня, достигает 2-метровой высоты. Её изгибы овальной формы типичны для фракийских зданий.
В период эллинистической колонизации (VI век до н.э.) колонисты из Мегары не сразу приступили к сооружению новой оборонительной системы. Новую стену они построили позже, в конце V - начале IV века до н.э. Эта работа продолжалась до III века до нашей эры. При этом были использованы большие каменные блоки, лицевая сторона которых тщательно полировалась. Эти блоки складывались в ряд без применения соединительного раствора. Внутренняя часть стены была наполнена ломаными камнями и землей. До настоящего времени сохранилось около трех метров этой стены. Греческая стена была хорошо изучена в западной части города. Можно увидеть, что в некоторых местах она совпадает с более поздней стеной – византийской.
Обнаруженная оборонительная система была сохранена и использовалась на протяжении последующих столетий, когда Несебыр был захвачен Древнеримской Империей. После распада Римской империи византийские правители начали активные строительные работы, и в середине V века была сооружена новая фортификационная стена из камня и кирпича. Её лучше всего сохранившуюся часть сегодня можно увидеть около городских ворот. Здесь стена была выложена большими ортогональными высеченными каменными блоками. По обе стороны от ворот находились квадратные башни, из которых в обоих направлениях симметрично размещались полукруглые и круглые башни.
Доступ в город охранялся двумя воротами. В ранневизантийский период укрепленная стена была построена на юго-западном побережье, около порта. Над ней возвышался ряд панорамных кирпичных арок, откуда сегодня можно полюбоваться восхитительным видом на побережье. Фрагменты этой стены были найдены примерно в 80 м к юго-западу в сторону моря.
В эпоху Средневековья использовалась ранневизантийская система. Во время вражеских атак часть её была серьезно разрушена, но вскоре быстро восстановлена. После того как хан Крум завоевал город в 812 году, он снес всю стену. Позже, в конце века, стена была построена вновь из кирпичей. В конце XI века оборонительная система восстанавливалась еще раз. Стены были восстановлены во время господства царя Ивана-Александра.
После того как в 1453 году город был захвачен Османской империей, оборонительная система потеряла свое стратегическое значение, и, оставленная без надлежащего присмотра, постепенно пришла в упадок.