La struttura odierna della rocca di Gradara è il frutto di una vasta campagna di restauri - talora di pura invenzione - compiuti nel corso degli anni Venti del Novecento allo scopo di ridefinire quella presunta "autenticità" che il monumento aveva perduto nel corso del tempo.

Molte delle strutture monumentali oggi visibili, pertanto, portano i segni di quella stagione progettuale, che rende di difficile lettura l'evoluzione delle architetture anticamente realizzate. 

Ben poco si sa, del resto, delle più remota struttura fortificata che fin dall'Alto Medioevo contrassegnava il sito di Gradara. 

Un più consistente nucleo difensivo venne realizzato - presumibilmente a cavallo tra XIII e XIV secolo - per iniziativa della potente famiglia dei Malatesta di Rimini, che anche più tardi, negli anni di Sigismondo Pandolfo, intervenne sul massiccio corpo di fabbrica quadrilatero della rocca riformandone il mastio (di probabili origini romaniche), parte del cortile porticato e la struttura residenziale interna.

Una profonda trasformazione dell'edificio dovette essere compiuta poi nel corso dell'ultimo decennio del Quattrocento per impulso di Giovanni Sforza che rinnovò gli ambienti residenziali, realizzò l'arioso loggiato prospiciente due lati del cortile e commissionò cicli decorativi di gusto antiquario.

Nel corso dell'età moderna la rocca fu accresciuta di altre strutture, alcune delle quali poi rimosse nel corso dei restauri novecenteschi, dovute dapprima all'iniziativa dei Della Rovere e poi della Camera Apostolica.

Il richiamo esercitato dalla tragedia di Paolo e Francesca che, secondo una leggendaria ricostruzione dei fatti avrebbe dovuto svolgersi proprio fra queste mura, ha senz'altro influenzato l'allestimento novecentesco delle sale interne, ricostruite fino alla minuta scala d'arredo secondo gli stereotipi della casa-museo di inizio secolo.

Esaminando la pianta della rocca, si nota anzitutto un circuito primario che cinge il borgo, dipartendosi dalla torre angolare nord, fino a ricongiungersi ad essa in adiacenza alla base del torrione meridionale. 

L'andamento delle cortine, lineare, si allarga ad occidente a comprendere un possente torrione poligonale scarpato, chiamato "rocchetta" e costruito con tecniche del primo rinascimento.

La porta della prima cinta muraria, posta a sud e già tutelata da una torre di guardia, è provvista di ponte levatoio con doppi bolzoni e sovrastata da un apparato di caditoie.

All'interno della cinta difendono l'ingresso eventualmente violato i due torrioni  angolari (a sud-est e a sud-ovest).

Il secondo circuito, prossimo alla rocca, delimita la piazza d'armi.

Essa si innesta a nord-ovest in una delle torri del circuito primario settentrionale e descrive una linea spezzata fino a innestarsi nella torre di guardia della seconda porta. Da questa riprende  fino a giungere al torrione meridionale, il cui ingresso è anch'esso tutelato da un ponte levatoio sovrastato da caditoie.