Grâce aux plans et autres documents anciens, ainsi qu’aux vestiges conservés, le tracé des remparts de la première enceinte de Bruxelles est parfaitement connu. D’une longueur de quatre kilomètres, l’enceinte englobe d’une part le premier lieu de développement de la ville, l’île Saint-Géry et le premier port en bord de Senne et d’autre part les collines du Treurenberg avec la première collégiale romane Saints-Michel-et-Gudule (XIe siècle) et du Coudenberg avec le château ducal.
L’enceinte, construite à l’aide de pierres et de terre, est composée de piliers à section carrée espacés d’environ quatre mètres et reliés entre eux par des arcades enterrées dans un talus et surmonté d’une muraille percée de meurtrières. Une seconde série d’arcades supporte le chemin de ronde protégé par un parapet à créneaux. La défense du mur est complétée par une quarantaine de tours et par un large fossé qui pouvait être inondé dans certaines parties de la ville. L’accès à la ville étant assurés par sept portes principales et cinq guichets secondaires.
Pour le professeur et médiéviste Paul Bonenfant, qui l'a démontré dans une substantielle monographie, la première enceinte de Bruxelles remonte aux environs de l'année 1100 et est sûrement antérieure à l'année 1134, date d'un acte dans lequel il est fait mention d'un oratoire extra muros opidi Bruxellensis. D'autres actes de 1138 et 1141 utilisent les mêmes expressions, qui supposent l'existence autour de l'oppidum de Bruxelles d'une limite bien nette. Et ainsi, poursuit-il, il ne paraît pas que l'on puisse échapper à cette conclusion que dès 1134 existait à Bruxelles un rempart ayant le même tracé que cette enceinte.
Pour d'autres auteurs, notamment Guillaume Des Marez, dont le professeur Bonenfant estime les thèses erronées, l’époque du commencement de la construction de la première enceinte de Bruxelles est estimée au début du XIIIe siècle sous le règne de Henri Ier de Brabant, comte de Louvain et premier duc de Brabant, mais l’édification a pu s’étaler durant plusieurs décennies.
La thèse d'une construction plus tardive est également soutenue par le professeur Georges Despy, acceptant en cela les travaux de l'archiviste et historienne Mina Martens. Il note que l'enceinte de Bruxelles n'est expressément mentionnée qu'aux environs de 1220-1230.
Il est vrai aussi que la controverse sur la construction plus tardive de la première enceinte de Bruxelles naît surtout de l'interprétation du mot oppidum qui peut avoir deux sens : soit une ville emmuraillée (ce que soutient surtout le professeur Bonenfant pour défendre son opinion, même s'il n'ignore pas la double acception du terme), soit une franchise urbaine peuplée de bourgeois (sens que défend le professeur Des Marez, suivi en cela par Mina Martens et Georges Despy). Il faut cependant noter que le rôle nécessairement militaire d'un oppidum a été démontré par Albert Vermeesch, ce qui conforterait la thèse du professeur Bonenfant.
Très vite, la ville se sent à l’étroit dans ses murailles, des hameaux sont construits hors des murs. Après la mort de Jean III de Brabant (1355) et le conflit de succession qui en résulte, le comte Louis II de Flandre envahit Bruxelles. Grâce à la révolte menée par Éverard t'Serclaes, les Flamands sont chassés et les Brabançons reprennent la ville.
À la suite de cet épisode, il sera décidé la construction de la seconde enceinte de Bruxelles qui agrandira considérablement l’étendue de la cité.
Les deux fortifications ont longtemps coexisté. Le démantèlement de la première enceinte s’étale selon les quartiers du XVIe au XVIIIe siècle.
Malgré les démolitions, les vestiges de la première enceinte ne sont pas insignifiants. Les vestiges montrent que la pierre qui a servi à la construction est sans le moindre doute du grès à nummulites variolaria de la partie inférieure de l'étage wemmelien. Ce grès affleure à mi-côte sur les coteaux à l'ouest de Bruxelles, où se reconnaissent des traces évidentes d'anciennes exploitations notamment au lieu-dit Eyckelenberg, à mi-distance entre Berchem-Sainte-Agathe et Dilbeek, à Dilbeek, près du château, au sud de Schepdael, au sud d'Assche, etc.
On compte les éléments de huit tours et d’une bonne dizaine de murailles ainsi que les traces de deux portes. La plupart ont échappé à la pioche grâce à leur intégration au cours du temps dans d’autres constructions en tant que fondations ou murs de maisons ou d’immeubles. Si certains ont été dégagés et sont aujourd’hui visibles de la voie publique, la plupart ne sont pas accessibles.
Quant au grand pan de mur visible dans le hall d’un hôtel de la rue du Fossé aux Loups, il s’agit en fait d’une reconstruction plus proche de l’attraction touristique que du monument historique.