Die nie zerstörte Marksburg ist die besterhaltene Höhenburg am Mittelrhein und somit heute ein eindrucksvolles, weitgehend unverfälschtes Zeugnis einer spätmittelalterlichen Burg. Die Mauern der Kernburg aus der 1. Hälfte des 13. Jhs bilden im Grundriss ein Dreieck.
Nach Norden, zum Seitental und somit der Feindseite abgewandt, liegt der Romanische Palas, der 1708 und 1934 stark erneuert wurde.

Im Zentrum erhebt sich frei im Burghof auf der höchsten Stelle des Felsens der ab 1239 errichtete, schlanke, quadratische Bergfried. Er war zunächst ca. 22 m hoch und wies als oberen Abschluss vermutlich eine mit Zinnen ausgestattete Wehrplattform auf. Erst später (Mitte des 14. oder – nach jüngsten Forschungen – in der 2. Hälfte des 15. Jh.s) wurde der charakteristische Butterfassturm aufgesetzt, so dass die Gesamthöhe nun ca. 39 m beträgt.

An der gefährdeten Südspitze wurde 1372 ein eigener, polygonaler, innen vier Geschosse hoher Wehrturm errichtet. Er wird Kapellenturm genannt, da in ihm auch die Burgkapelle untergebracht ist. Die angrenzenden romanischen Umfassungsmauern sind zumindest rheinseitig noch gut erkennbar, wenn auch später (1706) durch den Rheinbau überbaut.

Um 1435 wurde an der Ostseite ein weiterer Palasbau mit schildmauerartig verstärkter Außenseite errichtet (gotischer Saalbau). Ursprünglich befanden sich im Unter- und Obergeschoss je ein 6 x 24 m großer Repräsentationssaal, spätestens seit dem 16. Jh. befindet sich im Untergeschoss eine noch heute gut erhaltene Küche.

Die äußeren Verteidigungsanlagen wurden abschnittsweise erweitert, so dass man heute insgesamt vier Tore passieren muss. Um 1300 wurde die Burg zunächst durch einen gebrochen-ovalförmigen inneren Zwinger umfasst, in der 2. Hälfe des 14. Jhs folgte ein nördlicher und ein östlicher Außenzwinger. In der 1. Hälfte des 15. Jhs wurde eine Verstärkung durch ein Zugbrückentor sowie der vorgelagerte rheinseitige Außenzwinger mit runden Schalentürmen errichtet.

Die Marksburg ist auch ein Beispiel für den versuchten festungsartigen Ausbau einer mittelalterlichen Burg. So wurde im 16. Jh. die zum Rhein gerichtete „Große Batterie“ über der heutigen Schmiede hinzugefügt. Schließlich wurden gegen Ende des 30jährigen Krieges die Eckbastionen errichtet sowie zur Talseite um 1711 die Kleine Batterie.

Von besonderer baugeschichtlicher und burgenkundlicher Bedeutung sind die Bauaufnahmen von Wilhelm Dilich (s. o.), welche die Burg im Zustand 1607/08 zeigen. In den Jahren nach 1900 wurde die Burg von Bodo Ebhardt, einem der führenden deutschen Burgenforscher und Architekten, unter Zuhilfenahme dieser Pläne umsichtig restauriert. Heute setzt die Deutsche Burgenvereinigung, die hier ihren Sitz hat, diese Arbeiten nach aktuellem Kenntnisstand fort. So erhält die Burg schrittweise wieder ihr spätmittelalterliches Erscheinungsbild mit Außenputz und farbiger Fassung zurück.