De middeleeuwse omwalling maakt blijkbaar deel uit van een soort algemeen urbanisatieplan, ontstaan na de voor Tongeren desastreuze inval van hertog Hendrik I van Brabant, waarbij onder druk van de Brabantse expansiedrang, de verdediging van de stad in vraag werd gesteld. De 4de-eeuwse omwalling verkeerde in een bouwvallige staat, en de versterking van het monasterium, hoewel in tijd van nood efficiënt gebleken, had de rest van de stad weerloos gelaten voor de plundering. Samen met de ontmanteling van het monasterium, de afbraak van de 4de-eeuwse omwalling en de beslissing tot de bouw van een nieuwe, gotische kerk, waarbij de kanunniken zich in afzonderlijke woningen omheen het Klooster vestigen (zie Maastrichterstraat), wordt tevens besloten tot het oprichten van een nieuwe versterking, die de organisch omheen het monasterium gegroeide straten en wijken zou omvatten.

De werken vangen aan voor 1241 en zijn omstreeks 1290 ongeveer voltooid. De versterking telde zes poorten: de Trichterpoort gebouwd op de basis van de Maastrichterpoort van de 2de-eeuwse omwalling, aan de weg naar Maastricht; de Moerenpoort aan de weg naar Wezet, waar zich de banale molen bevond; de Jekerpoort, waarschijnlijk aansluitend op de Chaussée Brunehaut, in de 16de eeuw, toen het Leurenkwartier in de omwalling werd opgenomen vervangen door de Loere- of Luyckerpoort, aan de weg naar Luik; de Steinre- of Steenderpoort aan de weg naar Koninksem, de oude weg naar Amay; de Kruispoort aan de weg naar Sint-Truiden, de oude heerbaan naar Tienen en de afsplitsing naar Bavai; de Hemelingenpoort, aan de weg naar Munsterbilzen, die later de verbinding met Bilzen en daarna met Hasselt werd. Van deze poorten bleef alleen de Moerenpoort, daterend van 1379 bewaard.

Voorts was de omwalling voorzien van een aantal torens, waarvan de belangrijkste: de Goeswijns-, Cleydersneyders- of Saktoren op de plaats van de huidige steenweg naar Bilzen; de Poeiertoren en de Schaetzentoren, nog zichtbaar op de hoge wal achter de Maastrichterstraat; de nog bestaande Cremertoren en Smeetoren tussen de Trichterpoort en de Moerenpoort; de nog bestaande Lakenmakerstoren, aan de Jeker, onder het begijnhof; de Velinxtoren, eveneens nog bestaand, naast de Luyckerpoort; de Vleyshouwerstoren tussen de Kruispoort en de Hemelingenpoort; bovendien bevond zich, net zuidwaarts van de Kruispoort een waarschijnlijk 16de-eeuws rondeel, mogelijk de plaats van het stadskanon. Voor de omwalling langs de Leopoldwal tot aan de Jeker, het best bewaarde gedeelte, werd de grote Romeinse omheining gewoon verhoogd. Ook aan de Elfde Novemberwal bleven aanzienlijke resten bewaard.

Het bouwmateriaal bestaat uit een parement van silexblokken in regelmatig verband, afgewisseld met mergelsteen voor banden en afwerking van onder meer omlijstingen, aangebracht omheen het kernmetselwerk dat veel Romeins puin bevat.

Reeds in de 14de eeuw moest de vesting twee zware belegeringen doorstaan, in 1328 door prins-bisschop Adolphe de la Marck en in 1347 door Englebert de la Marck; gedurende een groot gedeelte van de tweede helft van de 14de eeuw werd er aan de herstelling van de muren gewerkt; de Moerenpoort in haar huidig uitzicht dateert uit deze periode.

De Trichterpoort werd in 1408, na de slag van Othée afgebroken. Na de slag van Brustem in 1467 werden de vestingsmuren gedeeltelijk geslecht. Ze werden in 1499 hersteld. In 1673 deden de Fransen de Hemelingenpoort, de Kruispoort, de Steenderpoort, en de Luikerpoort samen met hun aanpalende muren springen. Alleen de Moerenpoort bleef overeind. Stadsmuren en -poorten werden tussen 1722 en 1734 heropgebouwd. In de loop van de 19de eeuw werden deze 18de-eeuwse stadspoorten afgebroken: de Trichterpoort in 1817, de Luikerpoort in 1818, de Hemelingenpoort in 1846, de Steenderpoort in 1873 en de Kruispoort in 1876. De Goeswijnstoren werd afgebroken in 1841, de Vleyshouwerstoren in 1880. Alleen de Moerenpoort bleef behouden.

Overgebleven delen van de middeleeuwse omwalling:

de Velinxtoren en het muurstuk B aan de binnenzijde van de nu overdekte Jeker, gelegen in de tuinen van de panden langs de Luikerstraat het muurstuk A langs de Elf Novemberwal, ongeveer 300 m lang, en bevattende de Schaetzentoren en de Poeiertoren muurstuk C langs de Kastanjewal het muurstuk H langs de Kastanjewal, zijnde een uitbreiding van de eerste Middeleeuwse omwalling en daterend uit XV en XVI het muurstuk G langs de Leopoldwal, ongeveer 220 m lang, en bevattende twee muurtorens het muurstuk D langs de Jeker, afbakening van het begijnhof, met inbegrip van de Lakenmakerstoren het muurstuk F links van de Moerepoort, in de Sint-Ursulastraat, en rechts van de Moerepoort, langs de Leopoldwal muurstuk E langs de Sint-Ursulastraat en achterkant van het Begijnhof