높이 4m, 너비 4m, 길이 1.8㎞의 규모이다. 내성과 외성으로 나뉘어져 있는데, 내성의 평면은 타원형이며 둘레는 약 670m이다.
성벽은 돌을 한 줄로 쌓은 단축성벽이다. 사각추형으로 다듬은 성돌로 면과 선을 잘 맞추어 견고하게 쌓았다. 이 성벽은 조선시대에 고쳐 쌓았으므로 고구려식 축조형식은 성벽의 밑바닥 부분에서 일부 찾아볼 수 있다.
외성은 내성의 남쪽벽을 북쪽벽으로 삼고 내성에 붙여 쌓은 둘레 약 2.5㎞의 장방형 성으로, 외성은 1692년(숙종 18)에 쌓았다. 성가퀴[城堞 : 성 위에 낮게 쌓은 담]는 위가 평평한 평가퀴이며 2∼4m간격으로 활쏘는 구멍[射穴]을 하나씩 내었다.
내성에는 북문과 서문, 외성에는 동문과 서문이 있으며 또한 내성과 외성 사이를 통하는 문이 있다. 내성 동남부에서는 샘이 솟아난다. 용골산성은 1627년(인조 5) 정묘호란 때 의병장 정봉수(鄭鳳壽)가 수천명의 의병을 지휘하여 압록강을 건너 침입해 오는 후금의 공격을 성공적으로 물리치고 승리한 곳으로 유명하다.