У XVI столітті Москва починає зміцнювати свої оборонні позиції. Навколо стольного граду з'являється ряд фортець, серед яких і Свято-Троїцький монастир. Стіна лаври була покликана захищати підступи до Москви з північно-східної сторони.

У 1540 році почалося будівництво потужної кам'яної фортеці. Сам Іван Грозний стежив за ходом робіт. Він виділив на ці цілі величезні за тим часом гроші. Був виданий наказ використовувати в потрібній кількості цегла і вапняний розчин, а також все, що необхідно. Будували стіни селян цар звільнив від усіляких податків і повинностей навіть у важкі часи. Троїце-Сергієва лавра протягом десяти років перетворювалася на потужний захист Московського князівства.

У 1608-1610 роках фортеця славно послужила під час облоги гетьмана Сапеги і Лісовського. Рік, три місяці і двадцять днів ченці захищали свої позиції без допомоги армії. 15-тисячне вороже військо стояло біля стін монастиря, намагався штурмом узяти фортецю, але ченці та окружні селяни відстояли навіть бомбардування з 60 гармат. Стіни з червоної цегли при будівництві навмисно не білили, щоб при ударах знарядь не видно було проломи. Коли поляки почали вести підкопи, Никон Шилов і Слоти — захисники монастиря — залізли в один з таких лазів і підірвали його разом з собою. Перевершує по силам польське військо відступило, а мужність та воля захисників святої землі надихнули на звільнення Москви. Після цієї облоги в середині XVII століття фортечні стіни надбудували і розширили.

Зараз довжина стін фортеці становить близько 1200 метрів. Товщина стін досягає в деяких місцях до 10 метрів, а висота коливається від 7 до 15 метрів. Чотири вежі в кутах неправильного чотирикутника і сім по стінах служили для додаткового захисту. Каличья не призначалася для оборони, а служила оформленням входу для паломників. Її назва говорить саме про це. Над Святими Вратами – головним входом у монастир – розташована Червона вежа. У 1856 році над брамою з'явився портал з красивою ліпниною і зображенням Святої Живоначальної Трійці з уральських каменів, а сама вежа набула напівкруглий купол з круглою банею. У північно-східному куті фортеці знаходиться Уточья вежа (раніше Житничная), яка придбала своє нинішнє ім'я завдяки різьблений білокам'яній качечка, що прикрашає вершину. Вона і ще дві кутові вежі мають багатогранну форму, а вежа над Водяними ворітьми супроти Уточьей «четвероугольная». Вчені вважають, що всі кутові вежі вже в XVI столітті мали підземні яруси. Найкрасивішою вважають Пивну вежу, яка стоїть по західній стіні на крутому схилі. Висота її майже 20 м. Це найбільша з прясельных веж. Тільки в ній налічується чотири яруси, а не три, як в інших. Завдяки десятиметровому перепаду землі зсередини і зовні вежі і широким воротах, що вводить в оману, вона служила кам'яним мішком для противника і зручним виходом для ченців. П'ятницьку вежу бачать гості і жителі Сергієва Посада, перебуваючи на оглядовому майданчику Млинцевої Гори.

Стіни між вежами мають три бойові яруси. Нижній призначений для «підошовного бою» і являє собою відкриті з боку Лаври аркади. Над ним – середній бій у вигляді склепінчастою галереї з бійницями і верхній відкритий ярус з зубчастим краєм. Галерея дозволяла обігнути весь монастир по стіні. Це надавало маневреності під час бою. Опис 1641 року свідчить про те, що монастир тримав на стінах 90 гармат, а 20 перебували в резерві.

Рів, що оточував монастир, служив додатковою перешкодою для ворога. Щоб збільшити неприступність кріпосних стін, були влаштовані загати, а на південній стороні можна помилуватися величезним Келарским ставком, влаштованих в 1552 році і прикрашає Сергієв Посад досі.